BIOLOGIA APPLICATA E BIOTECNOLOGIE AGRARIE

Biotecnologie e problematiche ambientali

La criticità dello stato in cui versa l’ambiente è cosa risaputa da tempo. L’intenso sfruttamento delle risorse non rinnovabili, l’urbanizzazione, l’esplosione demografica rischiano di stravolgere il rapporto fra uomo e ambiente. Uno dei maggiori problemi oggi è costituito dall’mquinamento ambientale e dai rifiuti che in alcuni contesti hanno raggiunto dimensioni allarmanti:
-  le emissioni di anidride carbonica nell’aria oltrepassano i 6000 milioni di tonnellate annue;
-  le emissioni gassose (ossidi di azoto e di zolfo, idrocarburi volatili, monossido di carbonio) sono stimate in oltre 215 milioni di tonnellate annue;
-  il consumo di acqua pro capite raggiunge quasi i 3 metri cubi giornalieri;
– circa 100.000 sostanze chimiche di sintesi vengono utilizzate e si ritrovano poi fra i rifiuti;
rifiuti solidi urbani e industriali, scaricati sui greti dei fiumi, in cave abbandonate, su terreni incolti, si accumulano nel suolo e nelle acque ed alterano gli equilibri biologici, mettendo a rischio la salute umana.


L’intensa urbanizzazione e l’industrializzazione di molte aree del pianeta (a) hanno portato ad un uso squilibrato delle risorse ambientali e non sempre l’uomo ha saputo trovare le giuste soluzioni prima che si creassero i problemi. Maree di rifiuti (b) hanno invaso il nostro tempo e le risorse ambientali, come le aree verdi che un tempo pensavamo illimitate, ora sono fortemente ridotte e in alcuni contesti compromesse (c).

Se da una parte la pianificazione e il riciclo sono di importanza fondamentale (ridurre i rifiuti, produrre rifiuti meno pericolosi, ecc.), dall’altra è necessario individuare tecnologie avanzate per il disinquinamento e per il recupero energetico.
Le tecniche biotecnologiche, con l’ausilio della microbiologia applicata, possono concorrere alla soluzione di questo grande problema dei nostri tempi. I microrganismi, che per primi hanno abitato il pianeta e sono riusciti a produrre l’ossigeno che è stato alla base dell’origine della vita, possono offrirci molte soluzioni per preservare la Terra.

Microrganismi e biodegradazione

I microrganismi, presenti ovunque, hanno acquisito grazie all’evoluzione la capacità di degradare sostanze organiche, dalle più semplici alle più complesse come legno, cellulosa, terpeni, steroidi. Questo processo, detto di mineralizzazione, è assolutamente necessario per mantenere la vita sulla Terra, ma avviene molto lentamente.
Oggi l’enorme sviluppo delle attività industriali e agricole ha riversato in tempi brevi nell’aria, nel suolo e nell’acqua ingenti quantità di sostanze estranee (xenobiotiche), la cui pericolosità dipende dal tempo di persistenza nell’ambiente.
Al contrario, le sostanze che si modificano, degradate dai microrganismi, sono dette biodegradabili. Sono i batteri del suolo (Alcaligenes, Nocardia, Flavobacteriiim, Pseudomonas) che, possedendo l’informazione genetica per la produzione di enzimi specifici (preexisting enzymes), trasformano le sostanze dette biodegradabili: composti organici naturali o di sintesi, purché la loro struttura chimica sia simile a quella delle sostanze naturali.
Per ovviare a questo limite e cercare di allargare il numero delle sostanze biodegradabili, in modo da risolvere il problema degli inquinanti xenobiotici, si seguono due strade:
- migliorare la naturale capacità dei microrganismi per indurli a mineralizzare in tempi più brevi;
- selezionare ceppi capaci di metabolizzare sostanze di sintesi non biodegradabili.
Il fatto che alcuni microrganismi vivano in habitat diffìcili e inospitali resistendo a metalli pesanti, radiazioni ultraviolette e a substrati insoliti è dovuto alla presenza nelle cellule batteriche dei
plasmidi catabolici.


(a) Visualizzazione della cellula batterica col posizionamento di DNA e filamenti plasmidici. (b) Pseudomonas putida al microscopio elettronico. Il plasmide di questo batterio (detto plasmide TOL pWW0) è portatore dell’informazione genetica che conferisce la capacità disgregare e mineralizzare i contaminanti aromatici toluene, m e pxilene.

Plasmidi catabolici
I primi plasmidi capaci di degradare canfora, alcani, silicati e naftalina furono isolati in laboratorio nel 1970 nell’Università delhlllinois da Gunsalus e da allora numerose sono state le ricerche sui batteri, soprattutto su Pseudomonas, versatili dal punto di vista nutrizionale e diffusissimi in natura.
Come sappiamo, i plasmidi hanno la capacità di essere trasmessi e veicolati da un ceppo batterico a un altro con estrema facilità; perciò, una volta individuati i plasmidi catabolici e i relativi enzimi, si cerca di costruire ceppi microbici con capacità degradative anche sugli inquinanti. Le tecniche sono quelle dell’ingegneria genetica applicata in vivo e in vitro.
Tecnica in vivo - In fermentatore, sono coltivate colture miste di Pseudomonas con plasmidi catabolici e ceppi di microrganismi provenienti da discariche e contenenti sostanze di sintesi e sostanze xenobiotiche. Per vie naturali, grazie al fatto che i plasmidi si trasmettono da una cellula all’altra, vengono acquisite nuove capacità metaboliche.
Alla fine saranno selezionati i ceppi che per coniugazione avranno acquisito i plasmidi catabolici per le nuove sostanze.
Tecnica in vitro - A mezzo di appositi vettori vengono trasferiti da un batterio all’altro i geni catabolici o i frammenti di DNA che codificano per una nuova via enzimatica.
In pratica si vanno a introdurre nell’ecosistema nuovi organismi ingegnerizzati, indicati con le sigle GMO {GenetìcallyModifìed Organìsms) o GEM ( Genetically Engin eered Microrganisms).
La cosa solleva molte preoccupazioni e per questo motivo sono previste norme legislative molto severe. Non potendo prevedere l’evoluzione futura di questi nuovi esseri, si cerca di inattivarli, una volta che abbiano esaurito il loro compito, inserendo nel loro genoma un gene killer che li porta all’autodistruzione.

Il trattamento dei rifiuti

Per evitare che l’ambiente si trasformi in un deposito di rifiuti e migliorare nel contempo la resa biologica delle discariche, si cerca di risolvere il problema dello smaltimento dei rifiuti (solidi, liquidi e gassosi) utilizzando i microrganismi geneticamente modificati. Il lavoro può essere impostato a due livelli, di previsione e di recupero:
-  abbattimento del carico inquinante dei rifiuti;
-  recupero di aree contaminate (biorisanamento del suolo).

Abbattimento del carico inquinante
I rifiuti urbani, industriali e agricoli si presentano come rifiuti solidi o liquidi. Il processo di abbattimento del carico inquinante può avvenire in diversi modi.
Trattamento dei rifiuti solidi (compostaggio) - Il compostaggio, per rifiuti solidi biodegradabili, è una tecnica che vede ancora una volta in primo piano l’azione dei microrganismi. In molti casi rappresenta una valida alternativa a forme di smaltimento che creano allarmanti preoccupazioni immettendo nell’atmosfera gas pericolosi per la salute (ad esempio gli inceneritori) o contaminando il suolo di sostanze percolanti (ad esempio le discariche).
Il compostaggio è un processo ossidativo esotermico promosso da gruppi di microrganismi (funghi, batteri, attinomiceti) attraverso il quale un substrato organico fermentescibile va incontro a trasformazioni fisicochimiche di demolizione e di ricostruzione fino alla formazione di humus.
Il processo è spontaneo in natura e noto fin dall’antichità, quando il letame maturava in concimaia molto a lungo per trasformarsi in fertilizzante, seguendo i lunghi tempi dei processi biologici.
Oggi gli interventi tecnologici hanno accorciato i tempi e hanno allargato la gamma di provenienza dei rifiuti. Il compost ottenuto, derivato dalla umificazione di rifiuti privi di metalli pesanti e sostanze tossiche, è destinato all’uso agricolo.


La lavorazione del compost (a) prevede vari passaggi che, dall’ammassamento e triturazione, all’umidificazione e successivi rimescolamenti della massa per favorire i processi fermentativi, portano all’ottenimento di terriccio mineralizzato (b) utilizzato come ammendante agricolo. La qualità chimica del compost, oltre a considerare le sostanze minerali utili alla crescita delle piante, è data soprattutto dall’assenza di sostanze residuali inquinanti e pericolose per la salute umana.

Trattamento delle acque di scarico - Le acque di scarico provenienti dai centri urbani, dalle industrie, soprattutto agroalimentari, e dagli allevamenti zootecnici sono caratterizzate da elevate concentrazioni di sostanze solubili. L’abbattimento di tali inquinanti avviene attraverso sistemi aerobici e anaerobici.
I sistemi aerobici sono sistemi tradizionali basati sull’impiego di fanghi attivi (colture miste di batteri, lieviti, funghi) che ossidano le sostanze organiche, utilizzando l’ossigeno, fino ad acqua e anidride carbonica. Questi sistemi richiedono ampi spazi e impianti costosi dal punto di vista energetico. La rimozione dei nutrienti (azoto e fosforo) disciolti avviene in sezioni aerobiche in cui l’azoto ammoniacale viene ossidato ad azoto nitrico. Questo è rimosso dai batteri denitrifìcanti che, in sezioni di impianto opportunamente gestite, riducono il nitrato ad azoto elementare.


Veduta aerea di un impianto di depurazione. Il trattamento degli scarichi prevede: le vasche di decantazione primaria (rotonde) che separano i fanghi e le sostanze sedimentàbili; le vasche rettangolari dove si alternano aree ossigenate e aree anossiche e dove avviene l’eliminazione di azoto; le vasche di sedimentazione secondaria; la linea di trattamento dei fanghi con digestore anaerobico e compostaggio degli stessi, che viene accelerato con l'innesto di microrganismi attivi. Le acque depurate sono usate per la fertirrigazione mentre i fanghi sono trasformati in compost,

La ricerca microbiologica è basata sulla possibilità di isolare specifici cloni capaci di degradare sostanze di origine xenobiotica. Tali cloni, prodotti in colture pure, vengono aggiunti alla popolazione mista già presente nell’impianto di depurazione.
Nei sistemi anaerobici i reflui sono considerati come materie prime di lavorazione con finalità produttive o energetiche.


Dopo alcune fasi che sfruttano processi meccanici e fìsici, si applica, infatti, il trattamento anaerobico sfruttando le capacità degradative di popolazioni miste di soli batteri.
Si tratta di un processo di fermentazione anaerobica che consente di eliminare cattivi odori, smaltire i fanghi riducendoli ad 1/4 del volume e che porta a produzione di biogas costituito per il 6075% da metano e per il 2540% da anidride carbonica. Il metano prodotto viene raccolto e utilizzato in parte per il riscaldamento degli edifìci oppure, anche se poco redditizio, per produrre energia elettrica. I residui solidi (fanghi disseccati) che contengono azoto, fosforo e potassio, possono essere utilizzati come fertilizzante e per coltivare alghe e piante. I metalli pesanti non rimangono come residuo perché sono degradati da ceppi batterici, prevalentemente i batteri solfatoriduttori, che li riducono a solfuri.
Trattamento di gas di scarico (biofìltraggio) - I primi processi di filtraggio degli scarichi gassosi nell’aria attraverso microrganismi furono applicati per eliminare sostanze maleodoranti facilmente biodegradabili emesse dai capannoni di allevamenti zootecnici o di produzione di mangimi. Inizialmente l’aria veniva convogliata nel suolo dove si selezionava spontaneamente una flora batterica adatta all’abbattimento degli odori. Oggi sono stati selezionati ceppi microbici capaci di degradare sostanze xenobiotiche e sono stati inseriti su supporti inerti di torba, compost, polimeri espansi attraverso i quali viene convogliata rana.
Un altro problema conseguente alla presenza di inquinanti dell’aria è il problema delle piogge acide che danneggiano in modo prevalente laghi, foreste e monumenti.


Le colorazioni giallo brune nella zona apicale di aghi di pino sono spesso danni prodotti dall’inquinamento atmosferico.

I composti gassosi dello zolfo che si liberano dalla combustione del carbone ricadono a terra dilavati dalla pioggia che diviene in tal modo acida e corrosiva. Una proposta per risolvere il problema è venuta dall’Istituto di Tecnologia del gas di Chicago tramite l’impiego di batteri che eliminano lo zolfo dal carbone prima della sua combustione.

Biorisanamento del suolo (bioremediation)
È un metodo per rimuovere composti tossici da terreni e acque inquinate. Lo studio preliminare di terreno e acque rappresenta il primo passo per la caratterizzazione ambientale di un sito da risanare. Questo comporta la ricostruzione dell’uso pregresso e attuale del sito attraverso la raccolta di materiale bibliografico, ma anche attraverso sopralluoghi, rilevamenti e ricerca delle sorgenti di contaminazione e dei recettori antropici ed ambientali.

Approfondimenti
La Phythoremediation
Phythoremediation, dal greco antico pvrofito (che significa “pianta”), e dal latino remedium (che significa “riequilibrante”), descrive il trattamento dei problemi ambientali (bioremediation) tramite l’uso di piante e tecniche applicate, che mitigano il problema ambientale del suolo senza dover ricorrere a tecniche di scavo e recupero del materiale (suolo) contaminato per smaltirlo altrove. La Fitodepurazione mitiga, quindi, le concentrazioni di inquinanti nel terreno, nell'acqua o nell'aria, con l’utilizzo di piante in grado di contenere, degradare o eliminare: metalli pesanti, pesticidi, solventi, esplosivi, derivati del petrolio e altri vari contaminanti.


1. PHYTOVOLATILIZZAZIONE: Alcune piante assorbono i contaminanti volatili per poi rilasciarli in atmosfera con la traspirazione. I contaminanti possono essere prima trasformati o degradati nella pianta con la creazione di sostanze meno tossiche che sono poi rilasciate nell'ambiente.
2 . PHYTOESTRAZIONE: Le piante assorbono gli agenti inquinanti (metalli, metalloidi e radionucleotidi) tramite le radici e li accumulano in grandi quantità all'interno dei propri tessuti. Queste piante, periodicamente, saranno raccolte e smaltite come rifiuti speciali.
3. PHYTODEGRADO: Le piante assorbono e abbattono i contaminanti con l'ausilio di enzimi e processi metabolici collegati come quelli della fotosintesi, che tramite le ossidazioni/riduzioni, permettono di degradare gli inquinanti organici che sono utilizzati dalla pianta o espulsi nel terreno.
4. PHYTOSTABILIZZAZIONE: Alcune piante possono fissare o immobilizzare agenti contaminanti, nelle loro radici e tramite la produzione e il rilascio di sostanze chimiche particolari, possono convertirli a sostanze meno tossiche. Questo meccanismo limita la dispersione dei contaminanti attraverso l'erosione delle acque, la lisciviazione, il vento o la dispersione nel suolo.
Le indagini indirette di tipo geofìsico costituiscono uno strumento di valutazione preliminare delle caratteristiche strutturali del sottosuolo investigato, consentendo di individuare e definire la natura di eventuali infrastrutture presenti nel sottosuolo. Le indagini geognostiche consentono poi di definire la litostratigrafia dei terreni e le caratteristiche qualitative del sottosuolo insaturo e saturo (falde acquifere). L’elaborazione e l’interpretazione dei dati consentono infine di definire i meccanismi di diffusione dei fluidi (acqua, aria e contaminanti) nel mezzo poroso: analisi chimiche di laboratorio, prove in situ, geologia e idrogeologia completano lo spettro di azioni che definiranno la strategia operativa.


Le rilevazioni in situ, il prelievo dei campioni e le successive analisi di laboratorio rappresentano fasi importanti per definire la corretta procedura di risanamento e l’utilizzo delle tecniche di bioremediation.

I microrganismi utilizzati possono essere di diverse provenienze:
- microrganismi indigeni: sono soprattutto batteri, ma anche funghi già presenti nell’ambiente prima che fosse contaminato. I microrganismi vengono fatti moltiplicare in una soluzione nutriente di azoto, fosforo e potassio; divenuti più numerosi passeranno poi ad utilizzare il composto inquinante. I nuovi ceppi vengono isolati, posti in fermentatori per clonarli e ridistribuiti sul suolo da decontaminare;
- microrganismi provenienti da altri habitat: vengono amplificati in situ o ex situ. Servono per programmare interventi per lo smaltimento totale;
- microrganismi ingegnerizzati in vitro o in vivo: per riconoscere le sostanze xenobiotiche e demolirle.

Approfondimenti
Le colture energetiche
Le colture energetiche sono coltivazioni, sia erbacee che legnose, specializzate a uso energetico e rappresentano una possibile soluzione per diversificare le attuali produzioni agricole e indirizzarle verso impieghi non alimentari.
L’uso di tali colture ha una importanza sempre maggiore per due ragioni fondamentali: il continuo rinnovo della produzione e la possibilità di sfruttare aree agricole non più utilizzate per colture alimentari (aree setaside).


Pioppo SRF in fase di raccolta per essere avviato alla produzione bioenergetica.

Fra le colture energetiche erbacee si distinguono specie annuali come il girasole, la colza, il sorgo da fibra, il kenaf e specie perenni come la canna comune e il miscanto o erba elefantina, mentre fra le specie legnose sono di maggiore interesse quelle che possiedono un’elevata resa in biomassa e una buona capacità di ricrescita dopo il taglio (ceduazione), come i boschi cedui tradizionali e le siepi alberate, un tempo ampiamente utilizzati per la produzione di legna da ardere.
Un’ulteriore distinzione fra le colture energetiche si basa sulle caratteristiche qualitative:
1. oleaginose, come il girasole (Helianthus annuus) e la colza (Brassica rapusy),
2. alcoligene, cioè colture zuccherine e amilacee come il sorgo zuccherino (Sorghum bicolor), la barbabietola da zucchero (Beta vulgaris), il topinambur (Helianthus tuberosus) e i cereali;
3. lignocellulosiche, come il cardo, il sorgo da fibra (Sorghum bicolor) e il kenaf (Hibiscus cannabinus) fra le specie annuali; il miscanto (Mischantus x gigantus), la canna comune (Arundo donax), il cardo (Cynara cardunculus) fra le erbacee perenni e la robinia (Robinia pseudoacacia), la ginestra (Spartium junceus), l’eucalipto (Eucalyptus sp.), il salice (Salix alba), il pioppo (Populus sp.) fra le specie legnose perenni. Essendo queste ultime colture anche potenziali fonti di cellulosa per l’industria della carta, in passato la maggior parte dell’attività di ricerca e di sviluppo è stata indirizzata verso questa filiera chimica. Le colture oleaginose e quelle alcoligene sono destinate alla produzione di biocombustibili liquidi, mentre le colture lignocellulosiche sono utilizzabili come combustibile solido per la produzione di calore e/o elettricità.
Un’ulteriore distinzione fra le colture energetiche prende in esame due diverse classi. Una classe raggruppa le specie coltivate da sempre in Italia per diversi usi: specie erbacee come barbabietola, girasole e colza (di cui si conosce da tempo l’uso per fini energetici poiché producono biodisel) e specie legnose perenni, come il pioppo o l’eucalipto, utilizzati per la produzione della cellulosa e interessanti anche per la produzione di energia in quanto apportano qualche cambiamento alle tecniche di coltivazione, che passano dagli attuali cicli pluriennali ai cicli a turno breve. Una seconda classe raggruppa le specie spontanee, talora esotiche, non ben conosciute e non ancora utilizzate ma che, per le loro caratteristiche, potrebbero essere introdotte nel nostro sistema agricolo. Si tratta di piante in genere di origine tropicale o subtropicale che, essendo adattate a notevoli temperature, elevato soleggiamento, stagioni vegetative lunghe, potrebbero trovare impiego soprattutto nelle regioni del Sud Italia. Le ricerche agronomiche, infatti, sono volte a individuare fra le specie colturali quelle caratterizzate da alta efficienza fotosintetica come le piante a ciclo C4, che possiedono un bilancio energetico favorevole con basso costo energetico e limitata necessità di pratiche agronomiche, quali lavorazioni del terreno, concimazioni, irrigazioni.
Inoltre, sono state rivalutate alcune colture prima considerate infestanti, come il cardo, la ginestra e la robinia, in grado di crescere in condizioni estreme, in terreni aridi e improduttivi, e anche colture tipiche della fascia subtropicale come il sorgo zuccherino.
Particolare interesse presentano le ricerche per selezionare le specie più adatte a essere utilizzate esclusivamente per la produzione energetica, a turni brevissimi (Short Rotation Forestry, SRF). Le moderne tecniche colturali tendono ad aumentare la densità di impianto e a ridurre l’intervallo di tempo fra due tagli successivi, fino a portarlo a pochi o pochissimi anni. Le prime esperienze per l’impiego di specie forestali per la produzione di energia a rapido accrescimento e a breve turno di rotazione furono condotte in Svezia nel 1973.
Esse riguardano, oltre alla fattibilità economica, i metodi di coltivazione, le condizioni climatiche, le caratteristiche dei suoli, la produzione del materiale necessario per l’avvio di sperimentazioni su larga scala, il controllo delle malattie, i bilanci energetici, l’ottimizzazione delle operazioni di taglio, raccolta e stoccaggio.
Queste ultime operazioni sono più semplici per piante con bassa umidità, come il cardo (che è una pianta poliennale) o il miscanthus (che ha un periodo di raccolta capace di prolungarsi per 34 mesi),ma diventano particolarmente difficoltose per le colture zuccherine come la canna da zucchero e il sorgo zuccherino (che sono facilmente fermentescibili e necessitano di lavorazioni rapide durante o subito dopo la raccolta) e per le colture che producono biomassa con umidità superiore al 25/30% (in particolare il pioppo, la rubinia e il salice sono costituiti per il 50% da umidità). Per queste specie poliennali la raccolta deve essere effettuata ogni 2/3 anni. Per risolvere i gravi problemi della conservazione sono state sviluppate tecniche di disidratazione della biomassa nel campo o in cumuli coperti a seconda del periodo di raccolta e sono state realizzate macchine specifiche come quelle che consentono la raccolta della canna intera del sorgo zuccherino permettendone lo stoccaggio fino a 30 giorni ed evitando cosi le perdite di zuccheri.
Va, inoltre, tenuto conto del contributo offerto dalle moderne biotecnologie poiché spesso le colture tradizionali sono state sostituite con varietà transgeniche più resistenti, soprattutto agli insetti. Ciò ha comportato maggiore produttività (circa il 15%) e diminuzione dell’uso di fitofarmaci, con conseguente diminuzione dei costi della bioenergia, che sono stati ridotti di 1/3 negli ultimi 10 anni.

Produzione di biocombustibili

Vengono denominati biomasse i prodotti che hanno assorbito l’energia solare e che quindi sono potenziali serbatoi di energia utilizzabile.
Se si potesse immagazzinare e sfruttare direttamente anche una piccola parte dell’energia che arriva dal Sole, i problemi sulla Terra sarebbero risolti. La quantità di energia solare fissata dalla fotosintesi e da cui derivano anche i combustibili è una piccola parte (0,06%) dell’energia solare.
Accrescendo la produttività dei campi, variando i raccolti, scegliendo colture definite energetiche, allevando alghe, il margine di utilizzo dell’energia accumulata può aumentare fino a offrire la possibilità di sostituire, almeno in parte, i combustibili fossili con energie rinnovabili. Tra le rivoluzioni operate dalle biotecnologie c’è la produzione di energia pulita senza impatto negativo sull’ambiente; i tentativi fatti in questo senso sono: produzione di biogas, alcol come combustibile liquido, idrogeno. Le biomasse non riusciranno presumibilmente a soddisfare tutti i bisogni dell’umanità, ma possono dare un contributo rilevante proprio perché costituiscono una fonte energetica naturale e rinnovabile.


Sorgo zuccherino utilizzato per la produzione di biomassa.

Produzione di biogas
Il processo consiste nella degradazione di biomasse ad opera dei microrganismi con produzione di anidride carbonica e di metano, il cui potere calorico si aggira intorno alle 5500 kcal/m3.
Questo processo coinvolge differenti tipi di batteri e di prodotti organici da trattare e può essere così schematizzato:
- idrolisi delle molecole, con degradazione delle sostanze organiche fino a prodotti a basso peso molecolare (acidi organici, idrogeno e anidride carbonica);
- metanogenesi, cioè produzione di metano da decomposizione batterica degli acidi grassi.
Il processo è determinato da alcuni fattori ambientali, come temperatura (optimum intorno ai 35 °C), pH compreso fra 6,5 e 7,5, composizione del materiale.


Produzione di alcol combustibile
Le biomasse interessate per la produzione di alcol sono: colture zuccherine, colture amilacee, materiale ligneocellulosico.
- Colture zuccherine sono la barbabietola da zucchero, la canna da zucchero e il sorgo zuccherino. Quest’ultima coltura, in particolare, viene studiata come coltura industriale da impiantare in terreni impervi. La fermentazione è condotta dal Saccharomyces cerevisiae e produce etanolo senza passaggi intermedi.
- Colture amilacee sono patate, cereali, riso e soprattutto il topinambur, pianta di rapida crescita e poco esigente, ritenuta coltura industriale. La fermentazione deve essere preceduta dall’idrolisi enzimatica dell’amido in zuccheri semplici ad opera dell’alfaamilasi e della glucoamilasi.
- Materiale ligneocellulosico: proviene da colture forestali a rapida crescita (pioppo) e da residui di attività agricole, urbane e industriali (carta, cartone, ecc.). È il processo più complicato a causa della resistenza all’idrolisi di emicellulose, cellulosa e lignina. Dalla cellulosa si ricava glucosio che viene fermentato ad alcol dal Saccharomyces cerevisiae, ingegnerizzato per aumentare la resistenza all’alcol.
L’utilizzo dell’alcol come combustibile ha avuto un notevole sviluppo dopo il rialzo del prezzo del petrolio e in alcuni Paesi, ad esempio in Brasile, esistono già da tempo distributori di carburante ottenuto dai residui vegetali. Si prospetta, dunque, un futuro in cui i residui di coltivazione, ma anche coltivazioni apposite, forniranno, assieme al metano, buona parte dell’energia necessaria a far funzionare la nostra civiltà, contribuendo drasticamente a ridurre le quote di petrolio e carbone.

Produzione di idrogeno
Anche l’idrogeno rappresenterà in futuro un combustibile adatto a impieghi su larga scala, ma per ora esistono ancora alcuni problemi tecnologici legati alla produzione, al trasporto e all’accumulo per tempi lunghi.
Sono stati selezionati microrganismi fotosintetici, ceppi della famiglia Rhodospirillaceae, capaci di produrre idrogeno da substrati organici.
I microrganismi fotosintetici sono alghe azzurre, batteri verdi e rossi, microalghe, che vengono appositamente coltivati in impianti appositi al fine di conseguire, a spese dell’energia solare, il duplice scopo di depurare lo scarico e produrre biomassa.
In particolare, sono i procarioti fotosintetici azotofìssatori a costituire sistemi di interesse biotecnologico.
Questi microrganismi raccolgono in sé la capacità di svolgere la fotosintesi e di fissare l’azoto elementare a mezzo della nitrogenasi per ricavare idrogeno e ammoniaca, prodotti ad alto contenuto energetico a spese dell’energia solare, convertita in energia chimica. I maggiori risultati sono stati ottenuti dal ceppo di Anabaena cylindrica d’acqua dolce.

Produzione di biofertilizzanti

L’inoculo di specie microbiche costituisce un’applicazione biotecnologica tipica e collaudata per la gestione degli agroecosistemi.
L’inoculo viene eseguito:
-  disperdendo, nel suolo, la miscela di substrato, vettore della popolazione microbica;
-  inserendo un film di inoculo subito al di sotto dell’area di suolo dove si introdurranno i semi;
-  ricoprendo i semi stessi con una pellicola di substrato e microrganismi.
Tra gli organismi più frequentemente utilizzati, in grado di aumentare le rese agricole vi sono, senza dubbio, diversi ceppi di funghi micorrizici (soprattutto VAM = Vescicular Arbuscolar Mycorrizhae) e di batteri azotofìssatori (Rizobi), ovvero di popolazioni microbiche che colonizzano e instaurano relazioni stabili, di tipo fìsico e chimico, con le radici vegetali.
È stato tentato anche l’utilizzo di ceppi batterici che colonizzano la rizosfera, ma non instaurano un contatto fìsico endoradicale.
Questi ceppi possono:
1.  sintetizzare precursori di sostanze ormonali in grado di stimolare la crescita delle piante (PGR bacteria = Plant Growth Regulatingbacteria):
2.  produrre siderofori, ovvero molecole che captano cationi con funzione nutritiva, sottraendoli a popolazioni di microrganismi che competono con le piante per la loro assunzione e rendendoli più facilmente disponibili alle radici della vegetazione colturale.

Produzione di bioagrofarmaci

Un grave problema, più volte esaminato, è quello di proteggere le colture da attacchi di insetti e patogeni che ogni anno distruggono parte dei prodotti destinati all’alimentazione umana.
I prodotti di sintesi hanno però generato non poche preoccupazioni per l’ecosistema (rottura degli equilibri naturali, percolazione nel suolo e nelle acque di sostanze non biodegradabili e velenose, rischi per la salute umana).
Poiché in natura alcuni microrganismi esplicano azione di difesa delle piante da insetti nocivi e da Crittogame, sono stati prodotti insetticidi batterici, insetticidi virali e fitofarmaci costituiti da funghi.
Questi preparati microbiologici offrono maggiori vantaggi rispetto ai prodotti di sintesi: minori rischi per la salute umana e per l’ambiente, biodegradabilità e facile metabolizzazione da parte degli organismi presenti nell’ecosistema, assenza di fenomeni di resistenza, alta specificità dell’intervento.

Insetticidi batterici
Il batterio più importante è il Bacillus thuringiensis che, mentre produce due esotossine, alfa e beta (quest’ultima tossica anche per i vertebrati), durante la sporificazione produce un’endotossina, un cristallo proteico con attività insetticida.


La dorifora della patata nelle sue varie forme, adulta (a) e giovanile (b), provoca seri danni alle coltivazioni di patate: è trattata con bioinsetticidi a base di Bacillus thuringiensis, varietà tenebrionis.

I batteri producono tossine variabili a seconda dei ceppi: la deltaendotossina, attiva contro i lepidotteri, e la tossina P attiva contro lepidotteri e ditteri.
La deltaendotossina è l’insetticida biologico più promettente perché non è attiva come tale e perciò non è tossica per l’uomo e per gli altri vertebrati. Essa diviene attiva solo in ambiente alcalino, come nell’intestino degli insetti.



Insetticidi virali
Molti virus, sia a DNA sia a RNA, hanno mostrato specificità nei confronti di insetti fìtofagi e acari. Il più studiato è il Baculovirus, un virus a DNA a forma bastoncellare, protetto in un cristallo proteico.
Quando le particelle virali sono impacchettate in numero enorme nel cristallo si ha il virus della poliedrosi virale NPV; quando lo sono singole particelle si ha il virus della granulosi GV.
Come il Bacillus thuringiensis, il virus infetta l’intestino degli insetti.




Esito di trattamento a base di Baculovirus su larva di lepidottero.

Fungicidi
Circa 400 ceppi di funghi, appartenenti ai Ficomiceti, Ascomiceti, Basidiomiceti e Deuteromiceti, sono patogeni per gli artropodi. Fra i Deuteromiceti va ricordato il genere Beauveria, con il quale fu eseguito uno dei primi esperimenti riusciti di lotta biologica.


I funghi infettano l’insetto attraverso il tegumento perciò, non essendone necessaria l’ingestione, possono essere utilizzati anche contro gli insetti che succhiano la linfa.
L’infezione avviene generalmente attraverso conidiospore che si formano su insetti morti; unica eccezione è il Verticillium lecanii che forma spore anche su insetti vivi.
L’ambiente per la loro diffusione deve essere molto umido.


Esito di trattamento a base di Beauveria bassiana su Planococcus longispinus, noto come cotonello longiraggiato delle serre o cotonello longispino.

Microrganismi per tutti gli usi

Batteri come detersivi
In qualsiasi messaggio pubblicitario di detersivi si legge: efficace a basse temperature! tripla azione! contiene enzimi!
Non si tratta di semplici slogan: la prima forma di lavaggio biologico risale infatti agli inizi del secolo scorso, quando si scoprì che proteine del sangue potevano essere eliminate con l’aiuto di enzimi. In effetti gli enzimi microbici (proteasi) hanno la capacità di degradare lo sporco nei tessuti anche a bassa temperatura.
Molto importante è stato, di recente, l’isolamento di un batterio capace di agire in ambiente alcalino, quindi particolarmente efficace in presenza del pH alcalino, caratteristico dei comuni saponi. Un recente e particolare impiego di enzimi batterici (cellulasi ed amilasi) è quello per sbiancare e lavare i jeans e conferire loro quell’aspetto usato tanto di moda.


Caratteristico aspetto di “usato” conferito ai jeans trattati con enzimi batterici.

Batteri minatori
Rame, uranio, piombo, nichel, mercurio, cobalto, presenti nelle rocce in bassa concentrazione, vengono estratti con l’aiuto di batteri litotrofì (mangiatori di roccia). I batteri litotrofì traggono energia dalla pietra, compiendo la chemiosintesi e producono sostanze corrosive che solubilizzano i minerali presenti. Il Bacillus ferrooxidans ossida il solfuro di rame insolubile a solfato di rame che, divenuto solubile in acqua, viene lisciviato e raccolto in pozze che assumono un bel colore blu. Così concentrato il rame è facilmente estratto.

Batteri e petrolio
Frequentemente assistiamo a veri e propri disastri ambientali conseguenti alla perdita di petrolio da petroliere o piattaforme di estrazione.
Accanto alle tecniche di bonifica tradizionali oggi vengono impiegati microrganismi (Pseudomonasputida) che si nutrono di idrocarburi.
Ma, veri buongustai, ognuno ha un idrocarburo preferito (alifatici, aromatici, ciclici, saturi, insaturi) che potrà decomporre solo in presenza di ossigeno, di adeguate quantità di nutrienti. Per ottenere risultati migliori sono stati preparati ceppi ingegnerizzati di batteri mangia petrolio contenenti i geni per degradare i composti fondamentali degli inquinanti. In tema di idrocarburi, viene ancora un aiuto dai batteri: nei giacimenti petroliferi, le condizioni sono veramente proibitive: assenza di ossigeno, temperature di 90 °C, pressione fino a 200 atmosfere.
L’oro nero si trova intrappolato nelle rocce assieme ad acqua e gas e spesso è diffìcile estrarlo.
Di recente sono stati scoperti batteri anaerobi capaci di produrre una sostanza tensioattiva più densa dell’acqua che favorisce l’estrazione e la concentrazione del petrolio. I loro geni sono stati introdotti in forme batteriche, individuate nei fondali oceanici, resistenti alle condizioni estreme dei giacimenti.
I microrganismi ingegnerizzati vengono iniettati nelle rocce assieme a nutrienti che consentono loro di riprodursi e l’estrazione è facilitata.


Il disastro ambientale della piattaforma petrolifera Deepwater Horizon (a) è iniziato il 20 aprile 2010 ed è terminato 106 giorni più tardi, il 4 agosto 2010: il petrolio fuoriuscito, pari a milioni di barili, galleggia sulle acque di Louisiana, Mississippi, Alabama e Florida (b). La frazione più pesante del petrolio ha formato ammassi chilometrici sul fondale marino.

Altri batteri sono utilizzati nel processo di produzione della plastica. La plastica è un materiale versatile che dagli anni ’50 del secolo scorso ha letteralmente invaso la vita di tutti i giorni. Mille pregi, ma anche mille difetti: il primo è quello di essere smaltita con difficoltà. Chimicamente la plastica è una macromolecola ottenuta per polimerizzazione di molecole più semplici, ma non è una novità del mondo moderno: i batteri producono plastica da milioni di anni. Il loro prodotto (poliidrossibutirrato PHB, un poliestere come tante fibre sintetiche dei nostri indumenti) è utilizzato dai batteri come materiale di riserva. Qualche piccola differenza nella struttura di questi polimeri rispetto a quelli sintetici li rende biodegradabili, ovvero demolibili rapidamente dai microrganismi decompositori dell’ambiente. È stata una grande scoperta, che ha creato un’industria che utilizza i batteri per la produzione di plastica biodegradabile da utilizzare nei contenitori per bevande e cibi e in chirurgia per costruire fili di sutura che, dopo aver compiuto la loro funzione, sono riassorbiti dall’organismo.
Riepiloghiamo nello schema seguente l’utilizzo biotecnologico di microrganismi.


Schema generale di riepilogo che illustra l’utilità dei microrganismi utilizzabili nei settori industriali e ambientali.

Verifiche

Domande a risposta aperta
Rispondi in tre righe alle seguenti domande.
1.    Cosa si intende per OGM?
2.    Come si realizzano gli organismi transgenici?
3.    Quale rapporto esiste fra ingegneria genetica e organismi transgenici?
4.    Cosa sono e come possono essere utilizzati gli animali transgenici?
5.    Cosa sono e come possono essere utilizzate le piante transgeniche?
6.    Cosa sono e come possono essere utilizzati i microrganismi transgenici?
7.    Qual è l’impiego delle moderne biotecnologie nell’industria farmaceutica e nell’agroalimentare?
8.    Qual è l’impiego delle moderne biotecnologie nel trattamento dei reflui e nelle problematiche ambientali?
9.    Quali sono i problemi generati dal rischio biotecnologico?
10.   Quali sono i prò e i contro nell’uso di animali e di piante transgeniche?

Scegli la risposta esatta
1.    Cosa si intende con la sigla OGM?
- organizzazione mondiale per la genetica
- organismi che generano mutazioni 
- organismi geneticamente modificati
2.    Negli animali transgenici sono stati sostituiti
- tutti i geni
- alcuni geni 
- i cromosomi
3.    Fra gli organismi non hanno ancora applicazioni pratiche
- i microrganismi
- le piante 
- gli animali
4.    Animali transgenici sono quelli manipolati a livello
- delle cellule germinali
- delle cellule somatiche
- di entrambe le cellule
5.    Nella produzione di mammiferi transgenici di grossa taglia, la prole si sviluppa da
- tutti gli ovociti fecondati
- 1 ovocita microiniettato su 200 
- tutti gli ovociti microiniettati
6.    Il primo vaccino prodotto con microrganismi transgenici è
- antiepatite B
- antipertosse 
- insulina
7.    Le piante transgeniche resistenti agli insetti sfruttano le proprietà di
- Pseudomonas syiingae
- Bacillus thuringiensis 
- Agiobacteiium tumefaciens
8.    Quale dei seguenti vettori si utilizza esclusivamente per organismi vegetali?
- microiniezione di DNA
- Agiobacteiium tumefaciens 
- cannoni a particelle di DNA

Rispondi con Vero/Falso
1. Tutti gli organismi selezionati geneticamente,
anche le razze o le varietà, si dicono transgenici......................V F
2. Sono transgenici tutti gli organismi
prodotti con le tecniche delle colture in vitro.........................V F
3. Il patrimonio genetico degli OGM è modificato
rispetto a quello della specie di appartenenza..........................V F
4. Gli OGM sono solo i viventi nei quali
sono stati inseriti in laboratorio uno o più geni estranei..............V F
5. Gli OGM sono prodotti liberamente e non esiste proprietà.............V F
6. Non è possibile coprire con brevetto gli OGM.........................V F
7. Gli OGM contengono sempre un gene per la
resistenza a un antibiotico.............................................V F
8. Un antibiotico viene utilizzato per selezionare gli OGM..............V F
9. I primi OGM sono stati gli animali...................................V F
10. Non tutti gli OGM contengono il gene desiderato.....................V F
11. Molti enzimi dei detersivi sono ottenuti
da microrganismi ingegnerizzati.........................................V F
12. Per produrre animali transgenici si
inietta il gene nelle uova..............................................V F
13. Tutte le uova dei mammiferi microiniettate
producono progenie transgenica..........................................V F
14. Con i microrganismi ingegnerizzati si
tenta il recupero di aree contaminate...................................V F
15. Piante ingegnerizzate possono divenire bioreattori..................V F
16. I microrganismi transgenici sono impiegati
nell’industria agroalimentare per migliorare
la conservabilità degli alimenti........................................V F
17. I microrganismi che in natura degradano le sostanze
organiche vengono ingegnerizzati
per rallentare il processo..............................................V F
18. Il gene dell’insulina umano inserito in un batterio
produce su larga scala l’ormone simile a quello umano...................V F
19. Le piante transgeniche sono
prodotte al fine di sfruttare aree marginali............................V F
20. Gli animali transgenici sono costruiti
al fine di migliorare la quantità di carne..............................V F

Cancella l'intruso
1. Il rischio biotecnologico comporta preoccupazioni
- per l’ambiente
- per la salute
- per la produttività
2. La biodiversità è impoverita da
- colture selvatiche
- bioinquinamento
- bioinvasione
3. Lo smaltimento dei rifiuti può essere impostato come
- abbattimento del carico inquinante
- produzione di nuovi rifiuti
- recupero di aree contaminate
4. La produzione di biogas avviene attraverso i seguenti processi
- idrolisi delle molecole inorganiche
- degradazione delle sostanze organiche
- metanogenesi

BIOLOGIA APPLICATA E BIOTECNOLOGIE AGRARIE
BIOLOGIA APPLICATA E BIOTECNOLOGIE AGRARIE
GENETICA, TRASFORMAZIONI, AGROAMBIENTE