Cosa tratta la

MicrobiologiMicrobiologiaa1. Delle cellule viventi e di come esse lavorano

2. Dei microrganismi come organismi capaci di vita indipendente

3. Della diversità microbica e della evoluzione; della insorgenza della diversità e del perché

4. Del “cosa fanno” i microrganismi nel mondo, nella società umana, nel nostro corpo, ed in quello di animali e piante

5. Del ruolo centrale che giocano i microrganismi nelle scienze biologiche di base

6. Del fatto che, capendo i microrganismi, possiamo capire meglio la biologia degli organismi superiori, includendo l’uomo

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I microrganismi fanno “girare il I microrganismi fanno “girare il mondo”!!!mondo”!!!Nella biosfera la diversità maggiore

si trova tra I microrganismi

Le specie microbicheguidano la maggiorparte dei ciclibiologoci e geologici

Microrganismi unicellulari presenti sulla terra > 90%

Organismi multicellulari

< 12%

I microrganismi riescono avivere traendo energia daogni fonte e con ogni

strategia

Microcosmi microbici: o Grande diversitào Piccole dimensionio Crescita rapida 2

3

La microbiologia La microbiologia ha un enorme ha un enorme impatto:impatto:

in campo in campo MEDICO, MEDICO, nell’IMMUNOLOGInell’IMMUNOLOGIA, in A, in AGRICOLTURA, in AGRICOLTURA, in campo campo ALIMENTARE, ALIMENTARE, nell’ECOLOGIA, nell’ECOLOGIA, nella GENETICA, nella GENETICA, ed in altri MILLE ed in altri MILLE settori!!settori!!

Applicazioni della microbiologia

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- Microbiologia medica: si occupa di ricercare le principali cause delle malattie infettive che colpiscono uomini ed animali; pianifica le misure di eradicazione degli agenti causa di infezioni

- Immunologia: studia il sistema immune che protegge il nostro corpo dai patogeni (i germi che causano le infezioni)

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CONTROLLO DELLE MALATTIE INFETTIVECONTROLLO DELLE MALATTIE INFETTIVE1900 - 20001900 - 2000

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MALATTIE INFETTIVE RECENTI…….MALATTIE INFETTIVE RECENTI…….

””A VOLTE RITORNANO”!!!!A VOLTE RITORNANO”!!!!

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Microbiologia degli alimenti:

- studia i microrganismi pericolosi che causano il deterioramento dei cibi e le malattie che si trasmettono mediante gli alimenti (tossinfezioni alimentari, es: salmonellosi, gastroenteriti).

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Diversi esempi di malattie trasmesse da prodotti alimentari deteriorati

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Microbiologia degli alimenti e casearia:Microbiologia degli alimenti e casearia:

Alcui esempi di microrganismi “benefici” usati nell’industria alimentare perché i prodotti della loro fermentazione costituiscono alcuni tra gli alimenti e le bevande più “gradite” agli uomini:

Yougurt (Lactobacillus lactis)………….

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Il PANE , la BIRRA e il VINO………. Il PANE , la BIRRA e il VINO……….

Saccharomyces cerevisiae è forse il lievito più importante e il suo utilizzo è noto fin dall'antichità per la panificazione e la produzione di birra e vino.

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Microbiologia agraria:Microbiologia agraria:

-studia l’impatto dei microrganismi nell’agricoltura; combatte le malattie delle piante che colpiscono intere coltivazioni.

Un esempio

- Bacillus thuringensis: batterio sporigeno, ossia dotato della capacità di proteggersi in una spora in condizioni sfavorevoli. Dopo l'ingestione di vegetali contaminati, il batterio sporula nell'ospite liberando le tossine (innocue per gli esseri umani) che danneggiano il tratto digerente delle larve di zanzare.

-E’ impiegato per la creazione di piante transgeniche e nell'agricoltura biologica come insetticida.

-In apicoltura è utilizzato nella lotta biologica alla tarma della cera d'api.

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simbiosi mutualistica =

associazione vantaggiosa tra le radici e le popolazioni microbiche, necessaria alla sopravvivenza di entrambe le componenti

Leguminose + Rizobi

(batteri azotofissatori)

Altri microrganismi importanti in Altri microrganismi importanti in agricoltura:agricoltura:

I legumi possiedono dei noduli dove vivono batteri del genere Rhizobia, che fissano l’azoto in prodotti

che la pianta usa per la sua crescita.

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Microbiologia industriale:Microbiologia industriale:

usa i microrganismi per ottenere da questi

- Prodotti di interesse medico quali antibiotici, vaccini, vitamine, aminoacidi. Un esempio Streptomyces coelicolorStreptomyces coelicolor è la fonte di almeno due terzi degli antibiotici non sintetici presenti nel mondo.

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Microbiologia industriale….altre applicazioni:Microbiologia industriale….altre applicazioni:

• Bonifica ambientale:Bonifica ambientale: detossificazione degli oli di scarto, dei solventi, dei pesticidi e di altre sostanze inquinanti, e loro trasformazione in sostanze innoque.

Un esempio: Pseudomonas putidaPseudomonas putida è un batterio in grado di metabolizzare solventi organici.

• Produzione di energia:Produzione di energia: biomassa convertita in metano (gas

naturale); etanolo; idrogeno (dal lievito Zymomonas)15

Biotecnologie:Biotecnologie:

Microrganismi ingegnerizzati, cioè modificati, in grado di produrre ormoni, l’insulina, antibiotici, vaccini ed altri prodotti utili all’uomo. Inoltre, sono lo “strumento” necessario anche per lo studio delle malattie genetiche.

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Microbiologia

• Studio dei microrganismi, un grande gruppo di organismi capaci di esistere come cellula singola o come gruppo di cellule (aggregazione)

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Tutti gli organismi sono Tutti gli organismi sono composti da cellulecomposti da cellule

Tutte le cellule derivano da altri Tutte le cellule derivano da altri elementi cellularielementi cellulari

(proteine, Ac.nucleici -DNA e RNA, lipidi, (proteine, Ac.nucleici -DNA e RNA, lipidi, zuccheri..........)zuccheri..........)

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Il ruolo dell’infinitamente piccolo è infinitamente grande!

Louis Pasteur

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E’ sempre un problema di E’ sempre un problema di dimensioni!!!dimensioni!!!

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Organizzazioni cellulariOrganizzazioni cellulari

• Cellula procariotica (Procarioti)Cellula procariotica (Procarioti)•Archeobatteri, EubatteriArcheobatteri, Eubatteri

• Cellula eucariotica (Eucarioti)Cellula eucariotica (Eucarioti)•Protisti, Funghi, Piante, AnimaliProtisti, Funghi, Piante, Animali

NucleoNucleoSistema di membrane interne: Sistema di membrane interne: compartimentazione citoplasmacompartimentazione citoplasma

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La cellula dei procariotiLa cellula dei procarioti

• FlagelliFlagelli • PiliPili

• PareteParete

Apparentemente semplice....................

I batteri possono essere statici o muoversi nell’ambiente circostante per mezzo di particolari appendici distribuite sulla superficie cellulare.

Per conferire forma e rigidità alla cellula i batteri possiedono un rivestimento (parete batterica) che ricopre la membrana plasmatica

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La cellula dei procariotiLa cellula dei procarioti

• Membrana plasmaticaMembrana plasmatica

• CitoplasmaCitoplasma

• NucleoideNucleoide

Il citoplasma ha caratteristiche analoghe a quello degli altri organismi viventi e lo stesso vale per le reazioni biochimiche.

Barriera selettiva, semipermeabile, simile a quella delle cellule animali e vegetali

.

Sprovvisti di un nucleo separato dal citoplasma per mezzo di membrana, e mancano anche di cromosomi morfologicamente identificabili: il cromosoma batterico è infatti un'unica molecola di DNA

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La cellula dei procariotiLa cellula dei procarioti

CitoplasmaCitoplasma

NucleoideNucleoide

FlagelloFlagello

PiliPili

RibosomiRibosomi

Parete Parete cellularecellulare

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La membrana plasmatica

doppio strato:molecole non covalentementelegate fluido bidimensionale

La sua funzione non è solo quella di selezionare la direzione e l’entità degli scambi con l’esterno, ma è legata anche alla divisione cellulare e, nei batteri che producono ATP tramite la respirazione, è sede degli enzimi, dei vettori di idrogeno dei processi di fosforilazione ossidativa che nelle cellule eucariotiche si trovano nei mitocondri

La membrana cellulare si trova tra la parete e il citoplasma, ed è molto simile a quella delle cellule eucariotiche.

È costituita da un doppio strato di molecole lipidiche,che rappresenta la struttura portante, tra la quali sono inserite delle molecole proteiche, responsabili delle diverse funzioni della membrana; sono infatti enzimi catalizzatori, recettori di stimoli e ancora sono proteine di trasporto di sostanze attraverso la membrana.

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CitoplasmaCitoplasma

• Composizione:Composizione:-- CytosolCytosol-- Particelle insolubili in Particelle insolubili in

sospensionesospensione

>> Cytosol:Cytosol:- - solvente acquososolvente acquoso- soluti vari: ioni, micro e - soluti vari: ioni, micro e

macromolecole macromolecole

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Rivestimenti esterniRivestimenti esterni

• CapsulaCapsula

• Membrana EsternaMembrana Esterna

• Parete cellulareParete cellulare

• Membrana plasmaticaMembrana plasmatica

Caratterizzano i batteri

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Funzioni della parete cellulareFunzioni della parete cellulare

• Involucro rigido al di sopra della membrana Involucro rigido al di sopra della membrana citoplasmaticacitoplasmatica

• Anti lisi osmoticaAnti lisi osmotica

• Forma (Bastoncini, cocchi, a virgola, a Forma (Bastoncini, cocchi, a virgola, a spirale)spirale)

• Caratteristiche tintoriali (Gram+ e Gram -)Caratteristiche tintoriali (Gram+ e Gram -)

• Virulenza e patogenicità Virulenza e patogenicità

• Costituisce il bersaglio di molti antibioticiCostituisce il bersaglio di molti antibiotici

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Le diverse forme della Le diverse forme della cellula battericacellula batterica

CocchiCocchi

DiploCocchiDiploCocchi

StreptoCocchiStreptoCocchi

Tetradi-SarcineTetradi-Sarcine

StafiloCocchiStafiloCocchi

BacilliBacilli

DiploBacilliDiploBacilli

StreptoBacilliStreptoBacilli

CoccoBacilliCoccoBacilli

VibrioniVibrioni

SpirilliSpirilli

SpirochetaSpirocheta

Sferici Bastoncelli SpiralatiSpiralati

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Str. thermophilus CocchiCocchi

Staphylococcus epidermidisStaphylococcus epidermidis

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BacilliBacilli

Bacillus anthracisBacillus anthracis

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Spirilli - SpirochetaSpirilli - SpirochetaSpirocheta:Spirocheta:LeptospiraLeptospira

Spiranthes RichSpiranthes Rich..

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VibrioniVibrioni

Vibrio choleraeVibrio cholerae

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Costituzione della parete Costituzione della parete battericabatterica

Componente strutturale della parete: il peptidoglicano peptidoglicano

1. singola macromolecula

2. lunghissimo polimero lineare, stabilizzato da fitti legami trasversi

3. avvolge la cellula, formando un astuccio rigido e resistente

4. determina la forma

5. impedisce il rigonfiamento

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Organizzazione della parete Organizzazione della parete battericabatterica

Organizzazione diversa della parete neiOrganizzazione diversa della parete nei

• Gram positiviGram positivi

• Gram negativiGram negativi

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Organizzazione della parete Organizzazione della parete battericabatterica

Gram positiviGram positivi

• Strato unicoStrato unico

• Strato spesso di Strato spesso di mureinamureina con molti con molti legami crociatilegami crociati– nel contesto proteine, ac nel contesto proteine, ac

teicoici, ac lipoteicoiciteicoici, ac lipoteicoici

Gram negativiGram negativi

• Strato doppioStrato doppio

• Strato più sottile Strato più sottile di di mureinamureina con con meno legami meno legami crociati crociati

• al di sopra al di sopra membrana esternamembrana esterna– proteine, lipidi, proteine, lipidi,

lipoproteine, lipoproteine, lipopolisaccaridilipopolisaccaridi 39

PareteParete

P: peptidoglicano; ME: membrana esterna; MC: membrana P: peptidoglicano; ME: membrana esterna; MC: membrana citoplasmatica.citoplasmatica.

P

PMC

MC

ME

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Struttura del peptidoglicanoStruttura del peptidoglicano

Gram-positivi

Gram-negativi

Membrana esterna

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Membrana EsternaMembrana Esterna

– Polisaccaridi e fosfolipidiPolisaccaridi e fosfolipidi

– Patogenicità Patogenicità

– Solo nei Gram-Solo nei Gram-

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CapsulaCapsula

– Polisaccaridi o PolipeptidiPolisaccaridi o Polipeptidi

– Adesione al “substrato”Adesione al “substrato”

– Difesa Difesa (sistema immunitario, batteriofagi, (sistema immunitario, batteriofagi, disinfettanti chimici)disinfettanti chimici)

– Protezione dalla disidratazioneProtezione dalla disidratazione

– Patogenicità Patogenicità ((Streptococcus pneumoniaeStreptococcus pneumoniae))

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Capsula in Capsula in Klebsiella pneumoniaeKlebsiella pneumoniae

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46

La riproduzione dei La riproduzione dei procariotiprocarioti

•Scissione binariaScissione binaria– Scissione in 2 cellule ugualiScissione in 2 cellule uguali

•GemmazioneGemmazione– Produzione cellule più piccole da Produzione cellule più piccole da

una “madre”una “madre”

•Ricombinazione geneticaRicombinazione genetica– Scambio di DNA tra 2 cellule Scambio di DNA tra 2 cellule

diversediverse 47

La riproduzione dei batteri è asessuata e avviene mediante la divisione di un individuo in due cellule figlie uguali tra loro e identiche alla progenitrice e viene definito scissione binaria, processo molto simile, ma molto più semplice della mitosi cellulare, e comprende anche la riorganizzazione del citoplasma e la costituzione di nuove strutture cellulari.

Questo processo si ripete, ogni divisione impiega circa 30 minuti, e la coltura batterica cresce. La scissione binaria, o in due parti, può essere identica alla mitosi cellulare o

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NucleoideNucleoide

•Porzione del citoplasma dove Porzione del citoplasma dove si concentra il DNAsi concentra il DNA

•DNA procariotico:DNA procariotico:•Unica molecola circolareUnica molecola circolare•Pochissime proteine legatePochissime proteine legate•Attaccato alla MPAttaccato alla MP

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cromosomabatterico

plasmide

Nei batteri il programma viene registrato su di una lunga molecola di DNA, chiusa ad anello cromosoma batterico

Nella cellula batterica possono essere presenti altri piccoli anelli di DNA che portano poche informazioni -geni- i plasmidi

I plasmidi possono passare da una cellula batterica a un’altra trasformazione batterica

llllllllllllllllllllllllllllllllllllllllL’informazione genica L’informazione genica

nei batterinei batteri

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STRUTTURA del DNA

51

Come vengono classificati i batteri?

52

Chi sono?

Come si nutrono?

Cosa fanno? Dove

vivono?

Microrganismi

Identikit

Batteri

Gram+ Gram -53

Cosa fanno?

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Una singola cellula è capace di:

55

56

Una suddivisione molto importante è quella che Una suddivisione molto importante è quella che raggruppa i batteri secondo il livello di raggruppa i batteri secondo il livello di temperatura a cui possono crescere: si hanno temperatura a cui possono crescere: si hanno così, per questa suddivisione, tre sottoclassi che così, per questa suddivisione, tre sottoclassi che sono i sono i batteri psicrofili, i , i batteri mesofili e i e i batteri termofili. .

57

Un’ulteriore classificazione è basata sulle Un’ulteriore classificazione è basata sulle diverse modalità di respirazione in base alle diverse modalità di respirazione in base alle quali distinguiamo:quali distinguiamo:

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In relazione alla fonte di nutrimento (molecole altamente energetiche) i batteri vengono classificati in..............................

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Batteri autotrofi: sono gli organismi in grado

di sintetizzare molecole biologiche ad alta energia a partire da molecole inorganiche a bassa energia.

Batteri eterotrofi: sono gli organismi che

per il proprio metabolismo utilizzano molecole organiche complesse sintetizzate dagli organismi autotrofi.

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I batteri autotrofi

sono organismi che al pari delle piante verdi sono in grado di sintetizzare i propri costituenti cellulari utilizzando sostanze inorganiche semplici.

Tra questi vi sono i batteri fotosintetici (utilizzano l’energia luminosa per produrre energia chimica utile per i processi vitali)

e i chemiosintetici (utilizzano i composti inorganici per soddisfare il loro fabbisogno eneregetrico e sintetizzare i propri costituenti cellulari)

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Metabolismo biosintetico: Costruzione da composti inorganici sintesi di sostanza organici, fotosintesifotosintesi -- anabolismoanabolismo

Metabolismo energetico o catabolismo: Demolizione di sostanza organica ripristino dei composti inorganici mineralizzazione - catabolismomineralizzazione - catabolismo

La sostanza vivente è soggetta a trasformazioni cicliche che La sostanza vivente è soggetta a trasformazioni cicliche che

costituiscono il costituiscono il METABOLISMOMETABOLISMO

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Cosa fanno?

Sono soprattutto impegnati nelle decomposizioni biologiche, Sono soprattutto impegnati nelle decomposizioni biologiche,

attraverso le quali il carbonio immagazzinato negli organismi viventi attraverso le quali il carbonio immagazzinato negli organismi viventi

viene ossidato a COviene ossidato a CO22

I microrganismi sono in grado di fare quasi tutto, meglio dei biologi o dei chimici o di tutti!

(Perlman, 1979)

Sono responsabili delle trasformazioni biologiche nei cicli Sono responsabili delle trasformazioni biologiche nei cicli

biogeochimici, nei quali viene messa in evidenza la biodiversità biogeochimici, nei quali viene messa in evidenza la biodiversità

microbica microbica

Sono i “fornitori ufficiali” di sali minerali, azoto, vitamine, ormoni … per Sono i “fornitori ufficiali” di sali minerali, azoto, vitamine, ormoni … per

le piante, dalle quali ricevono zuccheri e aminoacidile piante, dalle quali ricevono zuccheri e aminoacidi

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Dove vivono? OVUNQUE!!!!!!

Si trovano in quasi tutti gli ambienti, aria, acqua, ghiaccio,

sorgenti calde e perfino negli sbocchi

idrotermali delle profondità oceaniche. Alcuni proliferano negli alimenti, mentre altri

stabiliscono varie forme di simbiosi con piante,

animali e altri organismi.

Il suolo stesso è un organismo “vivente”

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Gli organismi viventi e l'ambiente sono legati tra loro in maniera inseparabile e interagiscono reciprocamente, in modo tale che un flusso di energia porta a una ben definita struttura trofica e ad una ciclizzazione degli elementi nutritivi.

Organismi viventi e cicli degli elementi Organismi viventi e cicli degli elementi nutritivinutritivi

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Produttori, consumatori e Produttori, consumatori e

decompositoridecompositori I batteri, come tutti gli organismi viventi, sono divisi in tre grandi gruppi:

Produttori primari organismi fotosintetici, autotrofi

Consumatori organismi eterotrofi

DecompositoriSolo microrganismi : batteri e funghi

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Ciclo del carbonioCiclo del carbonio

Il carbonio è l’elemento centrale nella struttura della materia vivente,

ma è la CO2 il composto “chiave” coinvolto nel ciclo. Esso viene

restituito all’ambiente

utilizzato

Produttori

Consumatori

Decompositori

CO2 CO2 CO2

prelevato

I produttori assimilano la CO2 e

la forniscono a consumatori e decompositori. L’attività di fotosintesi globale è tale che

la riserva dell'atmosfera si esaurirebbe

in circa 20 anni

I microrganismi decompositori compiono la mineralizzazione e sono altrettanto essenziali dei produttori primari perché rinnovano

le riserve di CO2 dell'atmosfera

Ciclo della COCiclo della CO22 nella nella biosferabiosfera

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Il carbonio, elemento centrale nella struttura della materia vivente, viene

attraverso funzioni diverse e meccanismi di trasferimento che interessano tutti i livelli trofici e l’intera biosfera.

utilizzato e

Ciclo del carbonio

prelevato come CO2

restituito all’ambiente

come CO2

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Ciclo dell’azotoL'azoto è il nutriente più richiesto da tutti gli organismi viventi che lo assumono generalmente sotto forma di ammonio, nitrati e composti organici.

Queste forme azotate sono piuttosto scarsenelle acque e nel terreno per cui l'azoto diviene spesso il fattore limitante nello sviluppo e nella crescita di tutti gli organismi viventi.

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Il lato artistico...

Dalla Biennale di Venezia, Padiglione francese, Nov. 2002

…batteri, funghi e attinomiceti

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