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Jefri
11-04-2014, 21:28
Microbiologia e microfauna in acquario

Il primo microscopio... Storia dell'accesso al mondo dell'infinitamente piccolo

Chi per primo probabilmente osservò i batteri (ed altri microorganismi in generale) fu un importante funzionario e mercante di stoffe olandese vissuto nel XVII sec.: Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723). All’epoca una strana moda contagiava le persone abbienti nel nord Europa: la lavorazione del vetro e la fabbricazione di lenti d’ingrandimento. Per i più bravi la sfida era quella di creare lenti ottiche sempre più piccole. Fu così che van Leeuwenhoek costruì il suo primo rudimentale microscopio ed osservò alcune forme microbiche e non: batteri, sangue, sperma, placca dentale, microorganismi acquatici ecc.
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(Foto da Wikipedia.org Microorganismi osservati e schema del microscopio)

La cosa fece molto scalpore all'epoca arrivando, nel 1673, alla Royal Society di Londra, per essere pubblicata sulle Philosophical Transactions, rivista scientifica a cura della Società, per le strabilianti scoperte. Immaginare che esista qualcosa che non si può vedere è un gran tabù per la mente umana, e qualsiasi attività microbica (fermentazione, putrefazione, patogenicità) veniva vista con un misto di magia e fatalismo. A riguardo ci è giunto un bel aneddoto, che racconta di come, questo geniale inventore, capì-probabilmente nella prima volta nella storia-quanto i batteri influenzino la nostra vita. La leggenda narra che Antoni un giorno si ustionò la bocca, grazie al tè bollente portatogli dall'amorevole figlia (anche all'epoca i padri vietavano alle figlie di andare alle feste). Lo scienziato allora ebbe un'idea: prese due tamponi dalla bocca, dalla parte scottata e dai denti posteriori non intaccati dal calore, rispettivamente, e analizzò i risultati al suo microscopio. I risultati furono per lui soprendenti: la parte scottata dal tè non presentava organismi mobili (quindi presumibilmente vivi) a differenza della zona posteriore della bocca che aveva ancora la normale flora orale attiva. Ciò probabilmente creò un punto di svolta nella storia della microbiologia perchè si capì che: i batteri colonizzano non solo il mondo dove viviamo ma anche tutti gli organismi in modo massiccio, che essi possono provocare problemi (le carie analizzate da Antoni presentavano un'elevata attività batterica) e che essi possono anche essere sconfitti (in questo caso dal calore).
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(Foto da Wikipedia.org Lettera alla Royal Society di Londra)

Dobbiamo arrivare però alla seconda metà dell’800 per incontrare i primi veri fondamenti della microbiologia con Louis Pasteur (1822-1895). Fu nel 1864 che Louis Pasteur diede il colpo di coda finale alla teoria della generazione spontanea (in cui si credeva che organismi come le mosche si generassero da soli dalla carne in putrefazione), confutandola, e vincendo il premio dell'Accademia delle scienze di Parigi per la grandissima scoperta (da più di un secolo, infatti, si discuteva molto animatamente in merito alla questione della generazione spontanea). Fenomeni come le fermentazioni andate male, malattie del bestiame, infezioni da ferite ecc, presero allora una strada totalmente diversa e il mondo rivoluzionò il suo modo di vedere le cose.

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MA COSA SONO ESATTAMENTE I BATTERI?

I batteri sono degli organismi unicellulari (come i Protozoi e i Lieviti), composti cioè da un’unica cellula. Hanno dimensioni molto ridotte che si attestano tra 1 e 5 um di lunghezza e tra 0,5 e 1,5 um di diametro (ricordo il micron “u”, che indica la milionesima parte. Quindi 1 micrometro (um)= 1 milionesimo di metro).
Questi organismi estremamente semplici colonizzano ogni ambiente del nostro pianeta: dai laghi alle montagne più alte, dalle profondità marine alle sorgenti solforose calde. Generalmente si nutrono di composti organici esterni, già prodotti da altri, e vengono definiti eterotrofi. Alcuni batteri però rientrano nella categoria degli autotrofi: organismi in grado di sintetizzare da sé i propri composti organici.

I batteri rientrano nel dominio Procarioti (pro=prima, Kariòn=nucleo), cioè di quelle cellule che non presentano il nucleo (l’involucro che separa il materiale genetico dal resto del citosol).
I batteri presentano tre forme ricorrenti: sferica (cocchi), cilindrica (bacilli) e curva (spirilli e vibrioni).
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(Piastra Petri con proliferazione ci colonie batteriche)

E in acquario?

Vero motore di un acquario sono i batteri. Essi colonizzano ogni superficie disponibile di una vasca ed è grazie a loro se possiamo ospitare e ammirare le bellissime specie d’acqua dolce che popolano il globo. Non solo il filtro diviene la loro casa, anzi! Qualsiasi superficie come legni, sassi, vetri e fondo viene utilizzata come loro dimora. Anche l’acqua ne è ricca, anche se generalmente i batteri preferiscono aderire a delle superfici. Pochi, infatti, vivono liberi sospesi nell’acqua. Spesso i batteri non vivono nemmeno come cellule singole o colonie, ma in biofilm: complesse associazioni con altri batteri, alghe, protozoi e polisaccaridi. Per sopravvivere, infatti, questi microorganismi hanno imparato ad attaccarsi alle superfici, ad associarsi cooperativamente con altre specie per proteggersi dalle predazioni.

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Le “melme” che troviamo nei canolicchi, le patine oleose e le muffe sui legni sono tutti esempi di biofilms. Ma un biofilm è ben altro che una semplice massa informe e gelatinosa, bensì una struttura altamente organizzata. Studi di ricerca hanno evidenziato che la parte più esterna di queste associazioni è occupata da batteri eterotrofici, che rilasciano ammoniaca durante la decomposizione di composti organici. I batteri nitrificanti usano questa ammoniaca come fonte di energia. In ultima i batteri denitrificanti (processo inverso della nitrificazione: da nitrati ad ammoniaca e ad azoto gassoso) consumano gli acidi prodotti dalla nitrificazione, proteggendo i ceppi nitrificanti, molto sensibili all’acidità.

Il luogo d’elezione per la proliferazione microbica è sicuramente il fondo della vasca. Qui le specie microbiche trovano un ambiente ideale e, alla lunga, un buon fondo che non viene continuamente sifonato diventa un alleato più prezioso del filtro stesso.

Generalmente nel filtro si impiegano materiali altamente porosi che offrono una vasta superficie alla colonizzazione batterica. Tutti i pori e i micro pori presenti aumentano notevolmente il reale spazio utilizzabile. Qui di seguito un semplice disegno di due ideali materiali: uno liscio e uno poroso.

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Come potete vedere dalle linee rosse (nelle prime due figure seguono l’andamento della superficie e, successivamente, “stese”) un materiale poroso presenta una superficie nettamente superiore ad uno liscio. Quindi l’utilizzo di canolicchi in vetro sinterizzato, classici, lapillo vulcanico o bioballs serve a mettere a disposizione dei batteri colonizzanti una vasta area. Senza questi materiali il sistema vasca dovrebbe avere un litraggio molto superiore, per ottenere gli stessi effetti di nitrificazione.


I CICLI NELL'ACQUARIO D'ACQUA DOLCE

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Una vasca è un sistema aperto, in cui energia e materia vengono scambiate con l'ambiente circostante. Le decomposizioni dei batteri eterotrofi metabolizzano, modificano e restituiscono in forma diversa la materia presente in acquario che utilizzano come fonte di energia.
La materia organica contiene tutti gli elementi di cui le piante abbisognano, ma questi sono legati a complessi sistemi organici che i bateri eterotrofi trasformano in nutrienti per i vegetali.

MATERIA ORGANICA COMPOSTI INORGANICI

N organico ammoniaca + CO2
P organico --> fosfati + CO2
S organico solfuri + CO2


Questa materia organica (che contiene sempre C e che viene rilasciato in forma di anidride carbonica) che i batteri utilizzano si presenta in due forme: POC (Carbonio organico particolato) e DOC (Carbonio organico disciolto). Il primo è composto da feci di pesci e materia vegetale, ma le sue dimensioni non sono tali da essere digerito dai batteri. La microfauna del bentos, funghi e gasteropodi sci vengono in grande aiuto, in quanto portano il POC a dimensioni utilizzabili dai batteri, sminuzzandolo.
I DOC includono proteine, fosfati organici e zuccheri semplici che vengono metabolizzati rapidamente, a pH neutrale e temperature alle quali generalmente vengono mantenuti gli acquari.


CICLO DELL'AZOTO

Il ciclo dell'azoto parte dalla forma gassosa di questo elemento N2. Batteri detti azotofissatori riescono enzimaticamente, in modi ancora non del tutto chiari, a "strappare" l'azoto dall'aria e trasformarlo in ammonio. A cascata questa viene ossidata a trasformata in nitriti, prima, e nitrati poi, in un processo chiamato nitrificazione.
La nitrificazione avviene in due passaggi ad opera di ceppi batterici diversi. Il primo step ad opera dei Nitrosomonas:

NH4+ + 11/2 O2 --> 2H+ + NO2- + H2O

Secondo step ad opera dei Nitrobacter:

NO2- + 1/2 O2 --> NO3-

La reazione totale (da ammoniio a nitrati) produce acidi e consuma ossigeno. I batteri nitrificanti consumano grandi quantità di questo gas. Se i livelli di ammonio raggiungono valori alti i batteri possono consumare grandi quantità di ossigeno e compromettere l'equilibrio di un acquario.
L'ammonio in acqua esiste in due forme: ione ammonio (non tossico) e ammoniaca (tossica), in un equilibrio dato dalla seguente reazione:

NH3 + H2O <--> NH4OH <--> NH4+ + OH-

La quantità di ammoniaca/ione ammonio è in stretta relazione con il valore di pH: maggiore è questo valore (basico) maggiore sarà la quantita di ammoniaca tossica. A valori di pH acidi avremo quasi tutto ione ammonio non tossico.
I pesci sono estremamente sensibili a questo valore in quanto l'ammoniaca ha lo stesso effetto del monossido di carbonio CO: si lega all'emoglobina del sangue in modo più forte dell'ossigeno, bloccandola, e portando presto alla morte per anossia del pesce.
Le piante invece ben tollerano la prezenza di questa sostanza, in quanto più facilmente assimilabile rispetto ai nitrati. L'ammoniaca entra nelle cellule vegetali tramite diffusione semplice e viene combinata con ioni idrogeno H+ e convertita a ione ammonio (immagazzinato successivamente in vacuoli) o utilizzato immediatamente per sintetizzare proteine.


L'IMPORTANZA DEL FONDO

Cosa avviene in pochi centimetri di sedimento

Un fondo che "funziona" è il vero motore dell'acquario d'acqua dolce. In esso si insedia una moltitudine di batteri, e le particolari condizioni che lo caratterizzano ne fanno un luogo d'elezione per le trasformazioni chimiche e il nutrimento delle radici delle piante.
Un buon fondo deve avere un'altezza che va dai 6 ai 14 cm e la ghiaia deve avere una granulometria medio-fine (se possibile, comunque la granulometria dipende sempre dai pesci che ospitiamo in vasca); per motivi che verranno spiegati in seguito. E' stato riscontrato in substrati lacustri che un grammo di sedimento può contenere fino a un miliardo di batteri! Ma non sono solo i batteri che colonizzano questi spazi, bensì anche protozoi, alghe, funghi e lieviti. Avremo così che un sedimento acquatico sarà composto da particolato minerale, materia organica, materia inorganica precipitata e i microorganismi sopra descritti.

Punto fondamentale di un sedimento acquatico è la scarsità d'ossigeno che si presenta. Man mano che si scende in profondità i batteri aerobici consumano ossigeno e il valore di potenziale REDOX (o potenziale di ossidoriduzione) si riduce. In queste condizioni avviene la riduzione (acquisto di elettroni) dei metalli, fenomeno che li rende direttamente assimilabili dalle radici delle piante. Prendimo come esempio il caso specifico del ferro: questo passerà dallo stato di ossidazione Fe3+ allo stato ridotto Fe2+. Nel primo stato questo metallo non può essere assorbito, nel secondo invece si. Lo stesso vale per gli altri metalli di cui le piante abbisognano.
Un valore redox ottimale per un fondo si attesta intorno ai 100mV.

La microzona ossidata

La microzona ossidata è lo strato più alto del fondo, che separa la colonna d'acqua dal resto del sedimento. Questa ha due importanti funzionì. In primis previene la diffusione delle sostanze dalla parte profonda nell'acqua libera. Secondo questa zona, anche se di pochi mm, è sede di intensa attività batterica. Diversi ceppi batterici neutralizzano l'ammonio e i solfati di idrogeno provenienti dal fondo e prevengono la loro diffusione. I batteri che ossidano il metano forniscono CO2 all'acqua, scomponendo questo gas, a tutto vantaggio delle piante.
Perchè si formi una microzona ossidata efficente è controproducente continuare a sifonare il fondo di un acquario di piante. Meno i ceppi batterici che qui si insediano vengono "disturbati", maggiore sarà la loro efficacia nel mantenere sano il sistema vasca.


LA MICROFAUNA IN ACQUARIO DOLCE

Non è insolito che in una vasca d'acqua dolce si presentino diversi organismi spontanei, per la maggior parte innocui. La loro presenza infatti non deve far allarmare, in quanto sintomo di un ambiente sano e vivo. Spesso inoltre diverranno un'ottima integrazione di cibo vivo per i nostri pesci. Vediamo una carrellata degli organismi più comuni che possiamo incontrare:

COLLEMBOLI:
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Se vedete sul pelo d'acqua della vostra vasca degli insettini che saltellano siete in presenza di collemboli. Ordine che comprende circa 6500 specie di Esapodi. Di natura detrivora, spesso la loro lunghezza si attesta attorno a pochi mm. Ciò che permette loro di compiere balzi straordinari è un organo bifido, detto furca. In natura colonizzano gli ambienti più disparati, cercando sempre però zone umide. Le specie prettamente acquatiche occupano le superfici di pozze, stagni e acque ferme ricche di vegetazione.
Se verranno a colonizzare la vostra vasca, la maggior parte delle volte spariranno in poco tempo predati dai pesci.
Vengono considerati indicatori biologici. La loro presenza è sintomo di buona qualità dell'acqua.
Qui una foto di un collembolo che ho catturato, della dimensione di 1mm circa, e una foto dal microscopio a 75X.

PLANARIE:
Si presentano come "vermetti bianchi" sul vetro dell'acquario. Organismi appartenenti al Phylum dei Platelminti (o vermi piatti) che conducono vita libera (non parassitaria). In natura colonizzano i fondi degli stagni.
Questi animali posseggono una notevole capacità rigenerativa: se tagliamo in due una planaria in senso longitudinale, da ogni emiporzione si formerà un nuovo organismo.
Vengono considerati indicatori biologici. La loro presenza è sintomo di buona qualità dell'acqua.
ATTENZIONE: In presenza di pesci le planarie diverranno un ottimo cibo vivo ma possono predare baby caridine.
(aspetto le foto Meinl)

COPEPODI:
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Crostacei della lunghezza di pochi mm. Colonizzano si ambienti dulciacquicoli che acque marine (rappresentano la più grande fonte di proteine degli oceani). Nella stragrande maggioranza questi organismi si nutrono di fitoplancton, anche se alcune specie parassitano altri animali acquatici.
Vengono considerati indicatori biologici. La loro presenza è sintomo di buona qualità dell'acqua.

HYDRA VIRIDISSIMA:
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Cnidario idrozoo appartenente alla famiglia Hydridae. E' un polipo d'acqua dolce che si ancora alle strutture solide tramite un disco adesivo e cattura le sue prede (attenzione alle baby caridine) con dei tentacoli urticanti

NEMATODI:
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O vermi cilindrici, presentano un corpo cilindrico a sezione trasversale circolare. Ad oggi sono state descritte circa 12000 specie. Sono presenti nei terreni umidi e nei fondali acquatici. Alcuni si nutrono di materia organica in decomposizione (aiutando cosi lo smaltimento dei rifiuti), altri sono batterivori, fungivori o erbivori. Spesso, proprio per la loro caratteristica di colonizzare i fondi) vengono utilizzati negli studi ambientali come indicatori biologici, per studiare la qualita degli ambienti naturali.



BIBLIOGRAFIA
Microbiologia. Principi e tecniche (Zanichelli)
Biologia molecolare del gene (Zanichelli)
Microbiologia medica (Masson)
Ecology of the planted aquarium
Biology of Copepods, Carl von Ossietzky, University of Oldenburg

Jefri
17-08-2014, 15:02
Alex quando puoi aspetto le foto yes

Ale87tv
17-08-2014, 15:05
molto ben fatto! bravissimo!

Meinl
17-08-2014, 21:58
Ottimo, domani vedo di fartele avere

Agro
21-08-2014, 19:23
Bell'articolo, troppo spesso la gente vuole sterminare qualunque forma di vita che non sia stata introdotta volontariamente, questo rende giustizia a questo micro cosmo.
E incredibile la quantità di vita che c'è in una vasca al termine della maturazione, altro che acquario vuoto.