Batteri
Tutti hanno sentito parlare di questi tanto piccoli quanto essenziali esseri. Spesso vengono additati come portatori di malattie, perchè spesso confusi con quelli che sono definiti virus. In realtà i batteri sono ovunque. Noi siamo ricoperti da batteri. Il nostro intestino ne è pieno zeppo, sapete la tanto citata flora batterica? Ecco, quella è una colonia batterica che vive in simbiosi con noi. Noi le offriamo cibo e lei in cambio aiuta a scindere i legami chimici nel cibo rendendoli più facilmente assimilabili. I batteri sono nel terreno. E come non possono i batteri trovarsi là dove si originarono milioni di anni fa, nell'acqua? Beh la risposta è ovvia: certo! Quindi il nostro acquario pullula di batteri. In realtà non tutto l'acquario. La frazione di batteri in sospensione nell'acqua è davvero minima. Essi preferiscono vivere in luoghi dove possono formare colonie, in poche parole attaccati a qualsiasi superficie, legni, roccie, il ghiaietto che ricopre il nostro fondo, il fondo stesso, foglie e soprattutto nel filtro.
vedete quella zona più scura sul pelo dell'acqua? ecco tutta la zona opaca che la circonda altro non è che biofilm. il biofilm è una sostanza (per la precisione polisaccaridi) che i batteri producono per vivere in colonia. questo aiuta la loro sopravvivenza. il fatto che il biofilm ricopra il pelo dell'acqua del nostro acquario è la prova che i batteri pullulano in esso ed è ovviamente simbolo di salute.
Ma facciamo un passo indietro. Cerchiamo di capire cosa sia un batterio. Un batterio è un organismo unicellulare dalla struttura relativamente semplice delle dimensioni di qualche nanometro (un miliardesimo di metro). Ora al nostro scopo non importa conoscere nè le strutture che lo compongono nè tutta la tassonomia che regola questo regno, appunto quello dei bacteria. Focalizziamoci sulle risorse di cibo, quindi di energia, che utilizzano per il loro metabolismo.
Tutti gli organismi si dividono in autotrofi o eterotrofi. Dicesi eterotrofo qualsiasi organismo che riceve energia da composti organici. Noi siamo organismi eterotrofi, perchè mangiando scindiamo composti organici (il cibo) da cui otteniamo energia. Dicesi autotrofo un organismo in grado di sintetizzare, quindi creare, le molecole necessarie al proprio metabolismo a partire da sostanze inorganiche e utilizzando una forma di energia esterna. Un classico esempio sono le piante con la fotosintesi. Partendo da anidride carbonica e acqua e utilizzando l'energia solare ricavano energia con la quale sintetizzano le molecole di glucosio necessarie. Questi organismi vengono chiamati fotoautotrofi. Anche i batteri possono essere autotrofi. Per la precisione chemioautotrofi, ovvero ricavano l'energia necessaria a sintetizzare le molecole necessarie da quella liberata da altri processi chimici inorganici. Esistono anche batteri fotoautotrofi i quali, al pari delle piante, compiono la fotosintesi. Un esempio sono i cianobatteri, meglio conosciuti col nome di alghe blu-verdi.
Prima di proseguire dobbiamo affrontare un argomento di delicata e fondamentale importanza, anche piuttosto complicato. cercherò quindi di essere il più chiaro possibile,
sperando di riuscire a trasmettervi almeno il concetto chiave.
pillole di chimica
in una reazione chimica come sappiamo alcune molecole definite reagenti reagiscono tra loro a dare altre sostanze chiamate prodotti. Il perchè e il come questo avvenga è impossibile da spiegare a questo livello, e sinceramente non saprei nemmeno spiegarlo. basti pensare che coloro che hanno formulato teorie per spiegare questi comportamenti furono tra gli scienziati più importanti del secolo scorso... possiamo solo immaginare la complessità del problema. Tuttavia dobbiamo sapere che in una reazione vengono scambiati tra reagenti e prodotti anche elettroni. Gli elettroni sono delle particelle subatomiche cariche negativamente che fanno parte dell'atomo. Sono indicati col simbolo e-. in queste reazioni l'elemento che perde elettroni si dice "riducente", quella che al contrario le acquista si dice "ossidante". Facciamo un esempio di questo tipo di reazioni: prendiamo il nostro cloruro di sodio NaCl e la seguente reazione:
2Na + Cl2 -> 2NaCl
questa reazione può essere scomposta a sua volta in due sottoreazioni più semplici:Na -> Na+ + e-
Cl2 + 2e- -> 2Cl-
queste ultime due reazioni avvengono entrambe nello stesso istante, per cui sono equivalenti alla prima. Tuttavia evidenziando questo passaggio si nota come le due specie chimiche si scambino elettroni durante la reazione. Infatti il sodio perde un elettrone che a sua volta viene acquistato dal cloro. Quindi il sodio è l'agente riducente, il cloro quello ossidante. Questo tipo di reazioni sono chiamate reazioni di ossidoriduzione o reazioni redox. è inoltre fondamentale puntualizzare che se esiste una reazione in cui elettroni vengono persi deve esisterne un'altra in qui questi vengano assorbiti. Sempre. Non si scappa, quando c'è un elemento ossidante c'è sempre un elemento riducente. Non andiamo oltre nell'argomento, basta aver compreso che in molte reazioni chimiche vi è uno scambio di elettroni tra le varie specie in gioco.Ora ti potrai chiedere: ma perchè tutto questo discorso cosi lontano dal mio hobby? Con calma... inziamo col dire che processi del genere sono fondamentali per la vita. In genere l'agente ossidante viene chiamato accettore di elettroni, proprio per via della sua capacità di acquistare elettroni. Ed è proprio a questi accettori di elettroni che si deve la produzione di energia all'interno di qualsiasi organismo. Infatti la produzione di energia è dovuta ad un continuo trasferimento di elettroni da una specie donatore ad una accettore, in un complesso meccanismo chiamato "catena di trasporto degli elettroni". Qualsiasi reazione metabolica per avvenire ha bisogno di un accettore. Senza accettori di elettroni non ci sarebbe energia e quindi vita.
Facciamo un altro esempio di reazioni che liberano elettroni come prodotto, quindi una reazione di riduzione:
C6H12O6 -> 2CH3COCOOH + 4H+ + 4e-
questa reazione operata dal metabolismo batterico descrive la rottura dello zucchero glucosio in acido piruvico (CH3COCOOH, va beh non fate molta attenzione alla formula...) con la liberazione di quattro elettroni.Ogni elettrone liberato necessita di un accettore di elettroni. Quando un accettore accetta elettroni viene liberata energia. Molti organismi utilizzano l'ossigeno come accettore di elettroni. Ecco spiegato il motivo per cui troviamo la maggior parte dei batteri sulla superficie dei cannolicchi presenti nel nostro filtro. Infatti nel filtro si ha un maggior ricircolo d'acqua e quindi una maggiore concetrazione di ossigeno. Senz'altro un vantaggio per i batteri che possono cosi avere più energia.
La seguente tabella riporta alcuni esempi di organismi con i relativi accettori di elettroni e la principale fonte sia di energia che di carbonio.
| organismi | principale fonte di eneriga | principale fonte di carbonio | accettore di elettroni |
| uomo,animali,pesci | composti organici | composti organici | ossigeno |
| piante | luce | CO2, HCO3- | ossigeno |
| batteri chemioautotrofi | composti inorganici | CO2, HCO3- | ossigeno |
| batteri eterotrofi | composti organici | composti organici | aerobici:ossigeno anaerobici:NO3-,NO2-,Mn4+,Fe3+,SO42-,composti organici |
piccola divagazione: l'ossigeno è cosi diffuso perchè provvede a fornire molta più energia rispetto ad altri accettori. Per esempio circa il 30% in più rispetto ai nitrati e oltre 7 volte in più rispetto ai solfati.
è molto importante evidenziare come alcune reazioni redox portino ad una conversione permanente dell'accettore in una specie chimica differente. Questo fatto è di fondamentale importanza per l'equilibrio dell'acquario. è infatti grazie a questo fenomeno che i batteri riescono a trasformare molecole tossiche in molecole non tossiche. Purtoppo accade anche il contrario, d'altro canto i batteri dovranno pur mangiare per vivere!
La tabella sottostante riporta le principali trasformazioni chimiche rilevanti in acquario.
| processo | molecola in entrata | molecola in uscita |
| nitrificazione | NH4+ | NO3- |
| ossidazione H2S | H2S | SO42- |
| ossidazione del metano | CH4 | CO2 |
| decomposizione aerobica | composti organici | CO2, H2S, NH3, PO42- |
| decomposizione anaerobica | composti organici | acidi organici, etanolo, NH3 |
| denitrificazione | NO3- | N2O, N2 |
| respirazione dei nitrati | NO3- | NO2- |
| riduzione del manganese | Mn4+, Mn3+ | Mn2+ (manganese solubile) |
| riduzione del ferro | Fe3+ | Fe2+ (ferro solubile) |
| riduzione del solfato | SO42- | H2S |
| fermentazione | composti organici | acidi organici, CO2 |
| metanogenesi | acido acetico, CO2, H2 | CO2, CH4 |
la stragrande maggioranza di tali processi sono forme diverse dello stesso processo, la decomposizione batterica. infatti qualsiasi materia organica è sottoposta a processi di decomposizione (che come abbiamo visto in precedenza porta ad un aumento di conducibilità). sull'argomento batteri si apre spesso un dibattito che prima o poi coinvolge tutti gli acquariofili. è meglio una gestione dell'ascquario high tech o low tech?? leggendo in giro sul web si puà vedere l'evoluzione che ha avuto la gestione degli acquari nel giro di qualche decennio. anni fa si aveva una gestione "al naturale". niente fertilizzazione chimica, niente immissione di CO2, nessun particolare tipo di filtrazione, nessuna lampada sofisticata. un semplice filtro per muovere lèacqua e per operare una modesta filtrazione batterica, una buona fonte di luce... ehhh nient'altro. ah già tanta tanta pazienza. eh si, l'acquario veniva gestito il più similmente possibile all'habitat naturale. tutto è basato sui batteri. sono loro che riciclano le sostanze, decomponendo cibo e foglie morte. nello stesso tempo le piante assorbono le sostanze tossiche e quelle prodotte dalla decomposizione. l'unico intervento umano è la somministrazione di cibo a pesci o crostacei, poichè ovviamente non possono uscire dalla vasca e cibarsi da soli. da notare che i cambi d'acqua sono molto molto sporadici. tutto ovviamente si svolge molto lentamente. tutto è basato su un equilibrio molto fragile. col passare degli anni la tecnologia si è evoluta, ora abbiamo efficenti erogatori di CO2, filtri per tutti i gusti, fertilizzanti che propongono protocolli efficientissimi. insomma ci si è allontanati dalla gestione naturale della vasca. i batteri passano in secondo piano, gli si presta attenzione solo nei momenti iniziali, quando si deve far "maturare" il filtro (a dire il vero oggi esistono anche degli integratori per ridurre il periodo necessario alla maturazione). i cambi d'acqua sono molto più frequenti ed è maggiore l'intervento umano. il tutto avviene inoltre più rapidamente. quale delle due scuole di pensiero sia la più adatta non sono di certo io a dirvelo. non esiste una scuola migliore dell'altra a mio parere. anzi a mio avviso le due scuole si potrebbero fondere, ottenendo un equilibrio tra tecnologia e natura. per esempio io escluderei l'uso di fertilizzanti chimici in abbondanza, anzi starei il più attento possibile ad utilizzarli perchè spesso risultano tossici; lascerei che siano gli organismi in vasca a decomporre i resti di cibo o altro (ad esempio le lumache sono ottime per ripulire gli avanzi); al contempo utilizzerei un ottimo filtro e perchè no anche un buon apporto di CO2.
torniamo alle reazioni della tabella. per un momento mettiamo da part tutte le reazioni che coinvolgono l'azoto poichè verranno discusse in un alto capitolo.
decomposizione
concentriamoci quindi sul processo della decomposizione che riguarda forse il maggior effetto dell'attività batterica in acquario. quando parliamo di materia organica non dobbiamo pensare alle semplici molecole viste fin ora, bensi a complessissime strutture formate da centinaia, migliaia di atomi legati tra loro. parliamo di proteine, carboidrati... quello che troviamo nel cibo per intenderci. queste strutture sono difficilmente utilizzabili da parte delle piante che va detto sono gli organismi che traggono i benefici maggiori dall'attività di decomposizione. i batteri quindi scindono queste complesse strutture in molecole semplici come composti semplici del potassio, azoto... facilmente utilizzabili dalle piante. ma le molecole organiche sono basate su un elemento fondamentale per la vita: il carbonio. possiamo immaginare le molecole organiche come lunghe catene di carbonio a cui sono legate altre molecole magari di potassio, di azoto o addirittura altre catene di carbonio a cui a loro volta sono legate altre molecole. è evidente che senza carbonio nulla di tutto ciò esisterebbe, nemmeno noi probabilmente. vi siete chiesti come mai l'anidride carbonica sia cosi richiesta in acquario?? CO2... è la principale fonte inorganica di carbonio reperibile il più facilmente dalle piante. ne sono ghiottissime, a tal punto che risulta l'elemento limitante nella crescita, questo perchè per ogni nuova cellulla prodotta è necessario un po di carbonio... immaginate quante miliardi di cellulle siano necessarie a formare una foglia. cosa centra tutto questo con i batteri?? per ogni molecola organica scissa in molecole più semplici viene liberato del carbonio sotto forma di CO2. ecco perchè si legge in giro di gente che mantiene stupendi acquari piantumati senza alcun utilizzo di immissione artificiale di CO2. tutto merito di madre natura, o meglio dei batteri. in effetti, chi immette anidride carbonica in un lago?? di certo non l'uomo, ma l'attività batterica sul fondo è cosi intensa da poter garantire un certo quantitativo di CO2 ben superiore a quello dovuto al semplice scambio di anidride carbonica con l'atmosfera.
la materia organica dissolta in acqua si trova in una forma chiamata DOC (appunto dall'inglese dissolved organic carbon) ed è quello maggiormente utilizzato dai batteri. il DOC è il fattore che garantisce il rilascio di nutrienti, finita la materia organica la maggior fonte di nutrienti viene a mancare. va puntualizzato che il livello di DOC in un acquario è in continuo calo (essendo la nostra vasca un sistema chiuso) e che essendo una decomposizione di natura prevalentemente aerobica una maggiore concentrazione di ossigeno (quindi un elevato movimento superficiale dell'acqua che permette un maggior scambio di ossiegno e una elevata concentrazione di piante aumentano l'attivitè batterica, vedremo bene questo fattore quando parleremo di esplosione batterica) porta ad un maggior uso di DOC e quindi ad una maggior liberazione di nutrienti. è importante sottolineare che il maggior rilascio di CO2 si ha con l'attività presente nel fondale. in genere infatti se non si ricorre ad utilizzare semplice ghiaietto sterile, qualsiasi altro materiale che usaiate come fondo contiene chi più chi meno della materia organica. pensate al terriccio da acquario (concimato chimicamente già di per se), al terriccio da giardinaggio o alla torba. se pensate che la torba ha in genere un contenuto organico maggiore del 55% potete immaginare il potenziale nutritivo che i batteri possono genereare (attenzione a maneggiare la torba, è un terreno che va usato con cautela e che ha vari aspetti non facili da gestire, ne parleremo quando incontreremo i vari tipi di fondo).
come se i benefici derivanti dalla decomposizione siano pochi, i batteri ci regalano un altro importante fattore. non tutta la materia organica viene convertita in sostanze nutritive e CO2, una parte rimane indecomposta e forma una classe indifferenziata di molecole chiamate sostanze umiche (HS dall'inglese humic substances). le sostanze umiche sono prevalentemente originate dalla lignina del tessuto vegetale che i batteri non riescono a scindere. in queste sostanze umiche ricadono gli acidi fulvici e gli acidi umici. ma quali sono i benefici di tali sostanze? esse hanno il potere di legare a se i micronutrienti (in particolare ferro e manganese) e di renderli disponibili in soluzione cosicchè le piante siano in grado di assorbirli. se cosi non fosse gran parte di tali micronutrienti precipiterebbero nel fondale rendendo impossibile il loro assorbimento. inoltre riducono la tossicità dei metalli pesanti in soluzione rendendoli cosi innoqui a piante e pesci.
riduzione del manganese e del ferro
i batteri del fondo utilizzano manganese e ferro come accettori di elettroni per il loro metabolismo quando sono bassi i lielli di ossigeno e nitrati. tali reazioni sono anaerobiche e quindi operate dai batteri anaerobici. sono fondamentali perchè garantiscono l'utilizzo di tali metalli da parte delle piante rendendoli disponibili in soluzione (e quindi assimilabili dalle radici). la reazione per la riduzione del manganese è la seguente:
MnO2 + 4H+ + 2e- → Mn2+ + H2O
si nota come l'ossido di manganese che si trova allo stato solido venga scisso in uno ione assimilabile dalle piante. quando tutto l'ossido di manganese è esaurito i batteri scindono l'idrossido di ferro:Fe(OH)3 + 3H+ + e- → Fe2+ + 3H2O
ancora una volta l'azione batterica si manifesta fondamentale per il riciclo delle sostanze nutritive.solfato di idrogeno
questa molecola è tra le più tossiche in acquario. ne possiamo avvertire la presenza semplicemente annusando il fondo, in presenza di solfato di idrogeno diciamo che non sentirete un odore molto gradevole. certo è che se arrivate al punto di dover annusare il fondo per capire se avete un eccesso di H2S molto probabilmente in vasca non è rimasto molto... ve lo dico per esperienza personale (ebbi il piacere di notare i suoi effetti in un piccolo esperimento sui tipi di fondale che feci allestendo una piccola vaschetta da 20 litri con qualche pianta... dovetti svuotarla e rimuovere tutto il marciume prima di capirne la causa annusando la terra). la produzione di solfato di idrogeno avviene per via della attività di decomposizione sotto condizioni anaerobiche estreme attraverso l'utilizzo di solfati come accettore e la produzione di solfato di idrogeno:
SO42- + 10H+ + 8e- → H2S + 4H2O
un'altra fonte di solfato di idorgeno è la normale decomposizione delle proteine da parte dei batteri.fortunatamente i batteri aerobici riescono facilmente a smaltire questo tossico elemento. infatti in presenza di ossigeno si ha la seguente reazione:
H2S + 2O2 → HSO4- + H+ → SO42+ + H2
i batteri chemioautotrofi sono di fondamentale importanza in questo contesto poichè sono responsabilil dell'azzeramento di una sostanza potenzialmente letale per qualsiasi organismo. ne giovano cosi sia le piante che i pesci. risulta quindi evidente come sia utile avere in acquario un giusto contenuto di ossigeno ottenibile con un leggero movimento della superficie dell'acqua e con l'ausilio di una folta vegetazione sottoposta ad un fotoperiodo di almeno 5-6 ore.fermentazione e metanogenesi
in condizioni anaerobiche la materia organica è solo parzialmente metabolizzata dai batteri. in contrasto in presenza di ossigeno i batteri metabolizzano la materia organica in CO2 e acqua. la fermentazione è un processo per cui la materia organica viene scissa in acidi organici e CO2. la metanogenesi è strettamente anaerobica, in acquario avviene principalmente nel substrato. le reazioni che coinvolgono questo processo sono le seguenti:
CO2 + 4H2 → CH4 + H2O
acido acetico → CH4 + CO2
il metano è rilasciato sottoforma di piccole bolle dal substrato. queste bolle sono un indicazione del fatto che i batteri nel fondo stanno bene e sono attivi. tenete conto che la produzione di meetano è un fattore negativo, comunque la presenza di queste bolle sono da vedere come un segnale del fatto che i batteri nel fondo scindono la materia organica quindi rimettono in circolo le sostanze nutritive, il che è certamente un buon segnale.ossidazione del metano
questa trasformazione avviene sulla superficie del fondale. grazie a tali batteri il metano proveniente dalla decomposizione anaerobica della materia organica viene reimesso come CO2. la reazione è la seguente:
5CH4 + 8O2 → 2(CH2O) + CO2 + H2O
la reazione avviene quindi solo in condizioni aerobiche. pare inoltre che alcune piante per trarre maggiori benefici da questi batteri vivano in simbiosi con essi, addirittura ospitandoli all'interno delle radici stesse.abbiamo visto le principali reazione che i batteri svolgono in un acquario. vediamo di riassumerle per zona di realizzazione:
| reazione | prodotto | zona |
| decomposizione riduzione del manganese riduzione del ferro riduzione del solfato metanogenesi ossidazione del metano denitrificazione | CO2 H2 CH4 H2S N2 N2O (come gas, visibili come bolle) Fe2+ Mn2+ SO42+ | fondale |
| nitrificazione respirazione dei nitrati denitrificazione decomposizione | NO3- NO2- N2 N2O sostanze derivanti dalla decomposizione | filtro |
parleremo in seguito delle reazioni riguardanti l'azoto, per ora basti osservare le zone in cui avvengono tali reazioni. va comunque puntualizzato che i batteri si trovano su qualsiasi superficie dell'acquario: foglie,arredo,vetri,pietre... tuttavia le zone riportate sono quelle in cui è maggiore la concentrazione di batteri.
e ora che abbiamo fatto questo discorsetto teorico sull'attività batterica in acquario? in effetti non è che ci avrebbe cambiato molto la vita se non l'avessimo saputo, poichè a conti fatti non abbiamo alcun controllo sui batteri in vasca. nel senso che per noi comuni acquariofili è impossibile sapere quale ceppo batterico sia presente nel nostro acquario nè tantomeno possiamo escludere una specie batterica dannosa favorendone un altra pià "buona". tuttavia nulla toglie che più cose si sanno più risulta facile capire il funzionamento di un acquario.
nel prossimo paragrafo continueremo a parlare di batteri. tuttavia puntiamo lo sguardo verso il famigerato ciclo dell'azoto. inoltre vedremo un po come questo discorso teorico si incastra con la vita pratica del nostro acquario.
