Bio-mineralizzazione microbica

Introduzione

I batteri sono conosciuti principalmente come agenti eziologici di molte malattie infettive, più o meno gravi; rivestono, invece, un importantissimo ruolo ecologico e notevole è la loro importanza in ambito biotecnologico. Essi sono coinvolti nel riciclo dei nutrienti, nella produzione di farmaci (insulina, ormone della crescita, etc.), nelle produzioni alimentari (formaggi, salumi, etc.). Molto più difficilmente i batteri sono associati al mondo dell’edilizia.

In natura, molte specie microbiche sono state riconosciute in grado di contribuire alla formazione di carbonati nei sedimenti marini, nelle grotte e nei suoli calcarei. Il processo di formazione dei minerali mediato dai microrganismi prende il nome di bio-mineralizzazione.

Il lento accumularsi del carbonato di calcio precipitato dai microrganismi nel corso dei millenni ha contribuito, inoltre, alla formazione di strutture architettoniche naturali di grande interesse storico-culturale e speleologico (stalattiti, stalagmiti, concrezioni calcaree).

La scoperta di questi batteri ha avviato numerosi studi sul loro potenziale impiego anche nel campo edile (produzione di calcestruzzo auto-sigillante e consolidamento di opere in calcestruzzo in stato di deterioramento), nella conservazione delle opere architettoniche, nel risanamento ambientale, etc.

Bio-mineralizzazione

La bio-mineralizzazione è il processo mediato dai microrganismi che porta alla formazione di diversi minerali (calcite, vaterite, fluorite, caolinite, etc.). Un esempio di microrganismo carbonatogeno è Brevundimonas diminuta, un batterio Gram negativo ampiamente diffuso nell’ambiente ed in grado di modellare il carbonato di calcio in una struttura polimorfa cristallizzata a sistema esagonale chiamata vaterite (Fig. 2).

La formazione di differenti forme di minerali, tuttavia, dipende dalla composizione e dalla struttura del substrato con cui i batteri interagiscono.

Il processo di bio-mineralizzazione sembra correlato alla composizione della membrana esterna dei microrganismi dei Gram negativi, agli EPS (esopolisaccaridi), agli amminoacidi con caratteristiche acide (acido aspartico e glutamico) ed ai gruppi carbossilici delle strutture esterne associate al peptitoglicano.

Processo di bio-mineralizzazione

I microrganismi, attraverso complessi processi chimici di ossidazione, riduzione ed adsorbimento, portano alla precipitazione di diverse classi di minerali (silicati, carbonati, etc.).

La formazione dei minerali da parte dei microrganismi può essere attribuita a due diversi processi:

• Mineralizzazione biologicamente controllata (BCM): i minerali, in determinate condizioni, si formano direttamente all’interno della cellula o sulle sue strutture superficiali.
• Mineralizzazione biologicamente indotta (BIM): i minerali contenenti elementi come ferro (Fe), Manganese (Mn) si formano a livello extracellulare in seguito all’attività metabolica dei microrganismi.

Tra i diversi minerali, il carbonato di calcio (CaCO₃) è uno di quelli più comuni in natura; esso, oltre ad essere diffuso sottoforma di rocce minerali, tra cui calcite e aragonite, è ampiamente presente anche nel regno animale (conchiglie, gusci delle lumache, scheletro dei coralli, etc.).

Formazione del carbonato di calcio

La precipitazione del carbonato di calcio, attraverso un processo chimico, è piuttosto semplice e governato principalmente da quattro fattori:

• concentrazione del calcio;
• concentrazione del carbonio inorganico disciolto (DIC);
• pH;
• disponibilità di siti di nucleazione (fattore alla base della definizione della struttura).

In un sistema acquatico, il processo è correlato alla concentrazione del carbonio inorganico disciolto (DIC): bicarbonato (HCO₃⁻), carbonato (CO₃²⁻) e anidride carbonica disciolta (H₂CO₃). La concentrazione delle diverse forme di carbonio inorganico dipende da diversi fattori ambientali (temperatura, pressione atmosferica e pH) e la formazione di ioni carbonato porta alla precipitazione di minerali carbonatici. In condizioni naturali, la precipitazione dei carbonati avviene molto lentamente; in laboratorio, questo processo, tuttavia, può essere velocizzato biologicamente: mediante l’idrolisi dell’urea, una reazione mediata dai batteri ureolitici, è possibile ottenere la formazione di elevate quantità di carbonati in breve tempo (Fig.3).

L’idrolisi dell’urea, che avviene ad opera dell’enzima ureasi delle cellule microbiche, porta alla formazione di anidride carbonica (CO₂) ed ammoniaca (NH₃). La liberazione di ammoniaca, quindi, alcalinizza l’ambiente (pH>7), mentre dall’anidride carbonica si forma lo ione carbonato. L’aumento del pH dell’ambiente e la formazione di ioni carbonato, in presenza di calcio solubile (Ca²⁺), portano alla precipitazione di carbonato di calcio sotto forma di cristalli o in forma amorfa.

La superfice batterica, inoltre, essendo carica negativamente, è in grado di legare cationi, tra cui il calcio.  

In uno studio di Dhami e collaboratori del 2013 viene riportato che la fase, la quantità e la morfologia dei minerali di carbonato di calcio dipendono dalla sovrasaturazione, dalla temperatura, dal pH e dal rapporto calcio [Ca²⁺] e monossido di carbonio.

Reazioni del processo di bioformazione del carbonato di calcio

1.Formazione dell’ambiente alcalino

Idrolisi urea (all’interno della cellula batterica)

• CO(NH₂)₂ + H₂O → NH₂COOH + NH₃

Idrolisi acido carbammico (all’interno della cellula batterica)

• NH₂COOH + H₂O →NH₃ + H₂CO₃

Formazione ione carbonato (extracellulare)

• H₂CO₃ → 2H⁺ + 2CO₃²⁻

Formazione ione ammonio (extracellulare)

• NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH⁻

2.Le reazioni biochimiche urea-CaCl₂ per la precipitazione del carbonato di calcio sulla superficie della cellula batterica

Le cariche negative della superficie batterica lega ioni metallici (extracellulare)

• Ca²⁺ + Cellula batterica → Cell−Ca²⁺

Formazione del cloruro di ammonio e ione carbonato (extracellulare)

• Cl⁻+HCO₃⁻+NH₃ → NH₄Cl + CO₃²⁻

Formazione del carbonato di calcio (extracellulare)

• Cellula batterica−Ca²⁺ + CO₃^2- → Cell−CaCO₃

Si rimanda alla seconda parte di questo articolo per aspetti pratici quali l’utilizzo dei batteri nell’edilizia, i batteri carbonatogeni nelle grotte ed il Bio-risanamento da metalli pesanti e radionuclidi microrganismi. Si allegano pertanto le fonti utilizzate per la realizzazione di entrambi gli articoli. Si ringrazia Luigi Copia e Giuseppe Miccione per la realizzazione del contenuto.

Fonti:

1. C. Rodriguez-Navarro, F. Jroundi, M. Schiro, E. Ruiz-Agudo, M. T. González-Muñoz –Influence of Substrate Mineralogy on Bacterial Mineralization of Calcium Carbonate: Implications for Stone Conservation – American Society for Microbiology (2012) – V. 78 n° 11 / pag. 4017-4029. DOI: 10.1128/AEM.07044-11
2. O. Braissant, G. Cailleau, C. Dupraz, E. P. Verrecchi – Bacterially Induced Mineralization of Calcium Carbonate in Terrestrial Environments: The Role of Exopolysaccharides and Amino Acids  – Journal of Sedimentary Research (2003) – V.73 n° 3/ pag. 485-490. DOI: 10.1306/111302730485
3. L. Cheng , T. Kobayashi, M. A. Shahin – Microbially induced calcite  precipitation for production of “bio-bricks” treated at partial saturation condition – Construction and Builiding Materials (2020) – V. 231/ 117095. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117095
4. N. K. Dhami,  M. S. Reddy, A. Mukherjee – Biomineralization of calcium carbonates and their engineered applications a review – Frontiers in Microbiology (2013) – V. 4/ art. 314 DOI: 10.3389/fmicb.2013.00314
5. R. Rautela, S. Rawat – Analysis and optimization of process parameters for in vitro biomineralization of CaCO₃ by Klebsiella pneumoniae, isolated from a stalactite from the Sahastradhara cave – RSC Advances (2020) – V. 10 / pag. 8470-8479. DOI:  10.1039 / D0RA00090F
6. https://www.microbiologiaitalia.it/batteriologia/cupriavidus-metallidurans-e-la-bio-mineralizzazione-delloro/