Microbiologia Ambientale

Il mondo dei microrganismi e concetti fondamentali di ecologia microbica.
Struttura e funzione della cellula procariotica; diversità metabolica e adattamento negli ecosistemi naturali.
Comunità microbiche, microbiota e microbioma.
Cicli biogeochimici di carbonio, azoto, fosforo e zolfo.
Ruolo dei microrganismi negli ecosistemi terrestri e acquatici.
Interazioni tra microrganismi, piante e animali; simbiosi e microbiomi.
Effetti delle perturbazioni ambientali e degli xenobiotici sulle comunità microbiche; resilienza e resistenza ecosistemica.
Contaminanti ambientali normati ed emergenti (pesticidi, farmaci, antibiotici, PFAS, microplastiche).
Processi di biodegradazione, biotrasformazione, bioaugmentation, biostimulation e biorimedio fitoassistito.
Ecologia microbica applicata alla valutazione della qualità ambientale.
Principi di ecotossicologia e utilizzo di organismi bioindicatori.
Normativa ambientale di riferimento (Direttiva Acque, D.Lgs. 152/2006, Watch List europea).
Ruolo dei microrganismi negli impianti di trattamento delle acque reflue e nelle nature-based solutions (constructed wetlands).
Antibiotico-resistenza negli ecosistemi e approccio One Health.
Batteri elettroattivi, celle microbiche e applicazioni biotecnologiche innovative.

Metodi per lo studio delle comunità microbiche
Tecniche colturali e colture di arricchimento.
Microscopia ottica, epifluorescenza e colorazioni cellulari.
Conta microbica e valutazione della vitalità cellulare.
Fluorescence In Situ Hybridization (FISH).
PCR, RT-PCR e qPCR.
Sequenziamento del gene 16S rRNA, metagenomica, metatrascrittomica e metaproteomica.
Analisi di geni funzionali e di resistenza agli antibiotici.

Attività pratiche: Esercitazioni di laboratorio riguardanti isolamento e coltivazione di microrganismi da campioni ambientali, microscopia, valutazione dell'abbondanza e attività microbica, estrazione del DNA e applicazione di metodiche di ecologia microbica. È prevista inoltre una visita presso i laboratori dell'IRSA-CNR di Montelibretti.

Per una proficua comprensione degli argomenti trattati nel corso, è consigliato che lo studente abbia già assimilato le nozioni generali di Biologia cellulare, Genetica, Chimica e Biochimica. In particolare, è utile il possesso delle conoscenze relative alla struttura della cellula procariotica, alle macromolecole biologiche (DNA, RNA, proteine), alle principali vie metaboliche e ai principi base della microbiologia. I concetti chiave necessari saranno comunque richiamati e ripresi a lezione per uniformare le conoscenze di partenza della classe.
In riferimento ai diversi percorsi di studio, queste nozioni di base permetteranno di:
• Laurea Magistrale in Biologia Molecolare, Cellulare e della Salute: seguire più agevolmente gli approfondimenti sui meccanismi molecolari avanzati e sulle moderne tecniche coltivazione-indipendenti.
• Laurea Magistrale in Biodiversità e Tutela dell'Ambiente: comprendere al meglio l'integrazione dei microrganismi nelle reti ecologiche e il loro ruolo nei cicli biogeochimici globali.
• Laurea in Scienze della Natura e dell'Ambiente: collegare la microbiologia generale allo studio delle risposte degli ecosistemi alle perturbazioni e all'uso dei microrganismi come bioindicatori.

• E. Galli, G. Dehò. Biologia dei microrganismi. Edizione 2011. Casa Editrice Ambrosiana. Distribuzione esclusiva Zanichelli.
• M. T. Madigan, J. M. Martinko. Brock, Biologia dei microrganismi. Vol.1, 2A, 2B. Edizione 2007. Casa Editrice Ambrosiana.
• M. Willey, M. Sherwood, J. Woolverton. Prescott, Microbiologia. Vol. 1, 2, 3. Edizione 2009. McGraw-Hill.
• P. Barbieri, G. Bestetti, E. Galli, D. Zanoni. Microbiologia ambientale ed elementi di ecologia microbica. Edizione 2008. Casa Editrice Ambrosiana. Distribuzione esclusiva Zanichelli.

Per l’approfondimento degli argomenti trattati durante il corso potranno essere utilizzati i testi di microbiologia indicati nella sezione “Testi adottati”, integrati con articoli scientifici e materiale bibliografico fornito o indicato dal docente.

L’insegnamento, pari a 6 CFU, si svolge nel secondo semestre e comprende 40 ore di lezioni in aula e 10 ore di esercitazioni pratiche.
Le lezioni sono svolte con il supporto di presentazioni multimediali e di diapositive sistematicamente condivise tramite i canali istituzionali, integrate da materiale tratto dalla letteratura scientifica internazionale. Una parte del percorso, comprendente lezioni di approfondimento e attività pratiche, viene svolta presso i laboratori dell'Istituto di Ricerca sulle Acque (IRSA-CNR) di Montelibretti; qualora necessario o richiesto in linea con i regolamenti di Ateneo, singole lezioni potranno essere erogate in modalità telematica. Durante le lezioni gli studenti sono incoraggiati a intervenire con domande, commenti e discussioni sui temi affrontati.
L’insegnamento segue una progressione che parte dai concetti teorici fondamentali dell’ecologia microbica e della biodiversità metabolica, per affrontare successivamente il ruolo dei microrganismi nei cicli biogeochimici globali e la plasticità dei genomi di batteri e archea. Tali concetti vengono quindi applicati all’analisi critica delle metodiche di ecologia microbica tradizionali e coltivazione-indipendenti (molecolari e metagenomiche), alla stima della presenza e attività microbica nelle diverse matrici ambientali (acqua, suolo, sedimento) e, infine, allo studio della resilienza degli ecosistemi e delle strategie di biorisanamento.
Particolare attenzione è dedicata alla lettura critica delle evidenze scientifiche e alla capacità di mettere in relazione processi che regolano gli ambienti naturali e antropici a diverse scale. Le lezioni e le esercitazioni prevedono quindi anche la discussione guidata di grafici, dati sperimentali, casi di studio e articoli scientifici internazionali, allo scopo di favorire una partecipazione attiva e un approccio non esclusivamente mnemonico ai contenuti del corso.

La frequenza alle lezioni teoriche frontali è facoltativa, sebbene vivamente consigliata per un apprendimento ottimale della materia.
Al contrario, date le peculiarità applicative e metodologiche della disciplina, la presenza alle 3-4 lezioni pratiche e quella che si terrà presso i laboratori dell'IRSA-CNR di Montelibretti (Area della Ricerca RM1) è considerata obbligatoria.
• Rilevamento delle presenze: In conformità con il Regolamento Didattico del Dipartimento di Scienze, la frequenza verrà verificata tramite raccolta delle firme di presenza all'inizio di ciascuna sessione. Per ottenere la validazione della parte pratica e il diritto di sostenere l'esame finale, è richiesta la partecipazione ad almeno 2/3 delle sessioni pratiche (pari a un minimo del 75% delle ore complessive di laboratorio).

La valutazione del profitto avviene mediante un esame orale, finalizzato a verificare la conoscenza e la comprensione dei contenuti del corso, la capacità di mettere in relazione i diversi processi che caratterizzano il sistema climatico e l’autonomia nell’interpretazione delle evidenze scientifiche. L’esame è articolato in due parti.

Approfondimento individuale
Lo studente presenta per circa 5–10 minuti un breve approfondimento sviluppato autonomamente su un argomento relativo al cambiamento climatico, pertinente ai contenuti dell’insegnamento e concordato preventivamente con il docente.

La presentazione è finalizzata a verificare la capacità dello studente di approfondire autonomamente un tema, selezionare e organizzare informazioni scientifiche pertinenti, collegare l’argomento scelto ai contenuti affrontati durante il corso e comunicarlo in maniera chiara, sintetica e scientificamente appropriata.

Colloquio sui contenuti del corso
La presentazione è seguita da un colloquio della durata indicativa di 15–20 minuti, durante il quale lo studente risponde a domande relative agli argomenti affrontati durante le lezioni. Il colloquio è finalizzato a verificare la conoscenza e la comprensione dei principali processi climatici e, in particolare, la capacità di stabilire relazioni tra le diverse componenti del sistema climatico, distinguere cause naturali e antropogeniche delle variazioni climatiche e interpretare criticamente evidenze, scenari e conseguenze del cambiamento climatico.

Criteri di valutazione e determinazione del voto finale
Il voto finale, espresso in trentesimi, deriva da una valutazione complessiva delle due parti dell’esame. La valutazione tiene conto:
- della correttezza e completezza delle conoscenze;
- della capacità di comprendere e mettere in relazione processi, forcing e feedback del sistema climatico;
- della capacità di utilizzare evidenze scientifiche per formulare interpretazioni motivate;
- dell’autonomia dimostrata nell’approfondimento individuale e nella discussione di argomenti non affrontati esclusivamente in forma mnemonica;
- della capacità di integrare aspetti fisici, ambientali e socioeconomici del cambiamento climatico;
- della chiarezza espositiva e dell’appropriatezza della terminologia scientifica.

Per conseguire la sufficienza è necessario dimostrare una conoscenza adeguata dei concetti fondamentali del corso e la capacità di descrivere correttamente le principali relazioni causali che regolano il sistema climatico. Valutazioni più elevate richiedono progressivamente maggiore completezza delle conoscenze, capacità di collegare autonomamente argomenti differenti, interpretazione critica delle evidenze scientifiche e capacità di discutere con chiarezza e autonomia problemi complessi relativi al cambiamento climatico.

Nel loro insieme, le due parti dell’esame consentono di verificare conoscenza e capacità di comprensione, capacità di applicare conoscenza e comprensione, autonomia di giudizio, abilità comunicative e capacità di apprendimento.