Appunti di Lezioni Alghe 2024-2025, Università degli Studi di Milano PDF

Insegnamento Scienze biologiche propedeutiche alla medicina veterinaria Unità didattica Alghe Prof. Luciana ROSSI [email protected] Anno accademico: 2024-2025  Organizzazione architettonica delle cellule nel mondo vegetale a)Senza strutture differenziate: le alghe...

Insegnamento Scienze biologiche propedeutiche alla medicina veterinaria Unità didattica Alghe Prof. Luciana ROSSI [email protected] Anno accademico: 2024-2025  Organizzazione architettonica delle cellule nel mondo vegetale a)Senza strutture differenziate: le alghe b) Son forme differenziate all'esterno, alle quali non corrispondono strutture differenziate all'interno: i muschi c) con strutture differenziate sia esternamente che internamente: piante superiori introduzione  introduzione Differenziazione cellulare Fiore alghe muschio Piante superiori  Le alghe sono piante acquatiche? No, sebbene abbiano delle caratteristiche comuni le alghe non sono piante acquatiche. Principali caratteristiche in comune tra le alghe e le piante acquatiche CELLULA VEGETALE Effettuano la fotosintesi clorofilliana Possiedono pigmenti -ALGHE responsabili della UNICELLULARI colorazione CORMOFITE-Piante a cormo: Vivono in ambiente -TALLOFITE radice, fusto, filloma acquatico (foglie)  ALGHE UNICELLULARI E PLURICELLULARI Ci sono circa 35.000 specie di alghe. ALGHE Come traggono energia e nutrimento? Sono AUTOTROFI che vivono in ambiente acquatico (molto umido) Necessitano di LUCE Hanno cellule eucariotiche (vegetale) con clorofilla. Trasformano l’anidride carbonica e l’acqua in sostanze organiche che vengono utilizzate dall’organismo quale nutrimento (fotosintesi) Caratteristiche generali PIGMENTI FOTOSINTETICI Eseguono fotosintesi producendo ossigeno molecolare associato alla presenza di clorofilla a, b o c Possono contenere altri pigmenti (che mascherano il colore verde della clorofilla). NON HANNO TESSUTI DI TRASPORTO: Anche se di grandi dimensioni non hanno tessuti di trasporto specializzati. Gli organi sono costituiti da cellule interconnesse che muovono nutrienti e metaboliti tra diversi siti all'interno dell'organismo. Esempio di multicellularità Volvox L. Alga verde (clorifita) che forma colonie sferiche con anche 50.000 cellule. Vive in acqua dolce. colonia di Volvox 1) Cellule biflagellate 2) Colonia figlia 3) Ponti citoplasmatici 4) Gel intercellulare 5) Cellule riproduttive 6) Cellule somatiche Morfologia delle alghe Dimensioni variabili: da pochi um a molti metri Non hanno strutture differenziate. Assenza di differenziamento è legata alla vita in ambiente acquatico (assenza di polarizzazione ambientale e possibilità di galleggiamento). Non vi è differenziamento cellulare se non negli organi riproduttivi o negli organi adesivi delle alghe sedentarie. Nel caso di organismi coloniali le differenti porzioni della colonia svolgono compiti diversi TALLO è il corpo vegetativo NON DIFFERENZIATO di organismi unicellulari, coloniali o anche pluricellulari: filamentoso, ramificato, piatto. ALGHE Relazione con l’ambiente Le alghe vegetali semplici ubiquitarie che vanno dalle microscopiche microalghe (diatomee) alle alghe macroscopiche (Kelp). Acqua dolce-acqua salata ma anche… pozze d'acqua, fango, ai tronchi, alle rocce e in tutti i luoghi che si mantengono umidi per almeno un periodo dell'anno. Alcune alghe possano essere parassiti e/o simbiotiche di di altri organismi come protozoi, idre, spugne, gasteropodi, vermi piatti e funghi. Alga + fungo: LICHENI  Le alghe hanno forme, dimensioni e colori variabili Le alghe e vivono soprattutto negli ambienti acquatici. Si nutrono per diffusione dei soluti dall’ambiente acquatico a tutte le cellule che compongono l’organismo Le alghe microscopiche galleggianti che formano il fitoplancton sono indispensabili per la vita di tutti gli ambienti acquatici: senza di loro tali ambienti diverrebbero inospitali per qualsiasi altro organismo. Il fitoplancton è anche alla base delle catene Liberano alimentari di questi ambienti perché fonte ossigeno primaria di nutrimento per tutti gli organismi animali che vi vivono, dal microscopico zooplancton alle forme più complesse COME POSSIAMO CLASSIFICARLE? COME POSSIAMO CLASSIFICARLE? LE ALGHE Possono essere classificate MACROALGHE (seeweaeds) MICROALGHE (phytoplankton)  COME POSSIAMO CLASSIFICARLE? LE ALGHE A) UNICELLULARI (possono aggregarsi in colonie oppure formare mucillagini) Eudorina alga verde a sfera gelatinosa. Colonie sferiche libere in acqua il cui Le diatomee esistono come singole involucro gelatinoso risulta essere cellule, anche se alcune di esse si incolore. aggregano per formare delle colonie. Plancton di acque pulite Possono essere con cellule mobili (flagellate, ameboidi) o immobili (coccali). b) PLURICELLULARI (possono vivere libere nell’acqua, ma sono perlopiù agganciate al fondo)  Metodi di propagazione COME POSSIAMO CLASSIFICARLE? Il metodo di propagazione sessuale che conduce all'isogamia, all'anisogamia e all'oogamia o ai risultati asessuati nei diversi cicli di vita delle alghe. La presenza o l'assenza di riproduzione sessuale, la complessità degli organi riproduttivi, il metodo di riproduzione sessuale diventa un criterio importante per la classificazione delle alghe. Isogamia  COME POSSIAMO CLASSIFICARLE? Riproduzione Riproduzione vegetativa per semplice scissione (unicellulari) Frammentazione (pluricellulari): dal tallo di un'alga si distaccano piccoli frammenti, capaci di vivere in modo autonomo, che ingrossandosi formeranno nuovi individui identici al precedente. Spore (particolari cellule rivestite di un involucro di protezione): ogni spora, quando le condizioni ambientali sono favorevoli, si divide per formare altre cellule da cui si svilupperà una nuova alga identica alla precedente. La riproduzione sessuale (gameti) Alcune alghe producono due gameti identici capaci di nuotare perché provvisti di flagelli. Altre hanno solo il gamete maschile libero di nuotare perché la cellula uovo più grande è immobile dentro il tallo. COLORE COME POSSIAMO CLASSIFICARLE? -Chlorophyceae (green algae) CLOROFITE -Phaeophyceae (brown algae) CROMOFITE -Rhodophyceae (red algae). RODOFITE  I pigmenti che utilizzano nell’apparato Pigmentazione fotosintetico ci permettono di separare le alghe in funzione del colore. Clorofille: I tipi di clorofilla presenti nelle alghe sono a, b, c, d, e. Clorofilla-a è presente in tutte le classi di alghe. Carotenoidi : le alghe contengono due tipi di carotenoidi, le xantofille (20 types) e i caroteni (4 types). Biloproteine: sono pigmenti idrosolubili (ficocianina, ficoeritrina e alloficocianina). I cloroplasti delle alghe hanno una disposizione in pile nei tilacoidi (come apparati fotosintetici).  COME POSSIAMO CLASSIFICARLE? LE ALGHE CLOROFITE (alghe Verdi): contengono clorofilla e possono essere sia unicellulari che pluricellulari. Comprendono forme flagellate o coccidioidi. Contengono clorifilla a e b. Sono considerate le più evolute con cloroplasti simili a quelli delle piante superiori (Ulva lactuca o lattuga di mare comune nel Mediterraneo). CROMOFITE (alghe brune): la clorofilla è mascherata da Sargassum (pl.) xantofille. (Oceano Atlantico) Diatomee e Dinoficee (Unicellulari). vescicole gassose per Le cromofite pluricellulari (alghe brune) contengono dirigere le fronde verso la luce fucoxantina. ALGHE CORALLINE (PLURICELLULARI, MARINE) RODOFITE (alghe rosse): contengono pigmenti come la CON PARETE IMPREGNATE ficoeritrina e ficocianina (biloproteine), le quali assorbono DI CARBONATO DI CALCIO Non hanno clorofilla b mentre le lunghezze d'onda del rosso e del blu. contengono clorofilla a, a- e b- Si ricava l’agar-agar (addensante) carotine e xantofilla.  COME POSSIAMO CLASSIFICARLE? Prodotti stoccati L'amido è spesso considerato per la distinzione di diversi gruppi di alghe. Tutti i gruppi di alghe hanno gli stessi prodotti primari fotosintetici, ma la natura dei nutrienti di riserva può differire a causa della durata della vita delle alghe. AMIDO, GLICOGENO, LAMINARINA, CRISOLAMINARINA…. Alghe brune: La sostanza di riserva è la laminarina (come le diatomee), carboidrato che si accumula nei vacuoli (non all’interno del cloroplasto come piante e alghe verdi). Alghe rosse: SOSTANZA DI RISERVA è l’amido delle floridee, un polimero di glucosio ramificato simile alla frazione amilopectinica dell’amido  COME POSSIAMO CLASSIFICARLE? Prodotti stoccati LE SOSTANZE DI RISERVA possono depositarsi VICINO AI PIRENOIDI (corpi tondeggianti a composizione proteica che sono il centro di deposizione di amido e oli) Le diatomee Diatomee Bacillariophyta MICROALGHE DIFFUSE IN TUTTO IL MONDO (alghe brune unicellulari) 300.000 specie (alcune fossili) Unicellulari con scheletro in silice. Ambiente acquatico (dolce, salata e terreno umido). Organismi liberi o in colonie, liberi che fissati a un substrato. Dimensioni: 10-200um Diatomee Alghe unicellulari rivestite da un involucro esterno Bacillariophyta rigido, detto frustolo, formato da due metà. Costituito da silice, provvisto di piccoli fori (ornamenti caratteristici di ciascuna specie). In base alla simmetria e morfologia del frustulo e alla disposizione delle ornamentazioni le Diatomee sono suddivise nei due grandi ordini: 1,2. 1. Centrales (Diatomee centriche), simmetria raggiata, assenza di rafe, forma circolare, ovale, triangolare o quadrata, tipicamente planctoniche, principalmente marine. 2. Pennales (Diatomee pennate), valve a simmetria bilaterale rispetto all’asse longitudinale, frustulo di forma ellittica, bastoncellare o a navetta. Sono bentoniche e colonizzano tutti gli ambienti acquatici. Diatomee Le Diatomee, insieme ad altre alghe unicellulari, formano il fitoplancton e di solito galleggiano sull'acqua, anche se non mancano forme che vivono sui fondali, su altre alghe o su piante. Questo processo, protrattosi per milioni di Quando queste alghe muoiono, la anni, ha determinato la formazione di parte interna degenera, mentre i grossi depositi di rocce sedimentarie frustoli di silice si accumulano nei fondali marini. farinose che, in seguito a lunghi processi geologici, possono emergere e vengono sfruttati dall'uomo per ottenere la 'farina fossile', o terra di diatomee (fonte di silice, materiale isolante, da imballaggio, come sostanza assorbente per la costruzione di filtri, cosmetica e nutrizione) Sicurezza La FDA ha classificato la farina fossile come sostanza "Generalmente riconosciuta come sicura" o GRAS, in particolare quando viene utilizzata come parte di un processo di filtraggio degli alimenti. -Può essere utilizzato nella conservazione dei cereali come protezione non tossica contro gli insetti che in genere infestano il grano; può essere mangiato con il grano o la farina, fornendo minerali traccia. La terra di diatomea Le diatomee alimentari: l’esposizione prolungata nel contiene una tempo può dare problemi a mucose. varietà di oligoelementi, tra Antiparassitario: non è scientificamente comprovata la cui silice, magnesio, sua efficacia come antielmintico intestinale. calcio, sodio e ferro. Fortemente igroscopica, assorbe acqua nel primo tratto del tubo AZIONE gastrointestinale e diventa assai poco efficace contro vermi e altri ADSORBENTE parassiti a livello intestinale. Diatomee come indicatori ambientali L’impiego delle Diatomee come indicatori di qualità dei corsi d’acqua è ampiamente accettato in Europa e negli USA. Tutte le specie di diatomee presentano limiti di tolleranza e valori ottimali rispetto alle condizioni dell’ambiente acquatico, quali la concentrazione di nutrienti, l’inquinamento organico e il livello di acidità. Variazioni di temperatura, salinità, ossigeno disciolto, velocità di corrente e sostanza organica caratterizzano infatti la loro ecologia e determinano la distribuzione ed abbondanza delle varie specie nei differenti habitat. Diatomee come indicatori ambientali 1) Le acque maggiormente cariche di nutrienti tendono ad ospitare un maggior numero di specie rispetto alle acque che ne sono quasi del tutto prive come quelle che risultano dallo scioglimento dei ghiacciai e dei nevai. 2) Al contrario, alcune specie sono intolleranti ad elevati livelli di uno o più inquinanti, mentre altre ancora possono essere presenti in ambienti con stato qualitativo ampiamente variabile. Per il monitoraggio dei corsi d’acqua vengono utilizzate le diatomee pennate bentoniche.  Diatomee come bioindicatori Si possono individuare specie di Diatomee tipiche di ambiente non inquinato, di ambiente moderatamente inquinato e alghe di ambienti fortemente inquinati Diatomee tipiche di ambiente Diatomee tipiche di Diatomee tipiche di moderatamente inquinato: ambiente non inquinato: ambiente fortemente Cymatopleura elliptica inquinato: Achnanthes flexella Cymatopleura solea Caloneis amphisbaena Campylodiscus hibernicus Diatoma vulgaris Cyclotella meneghiniana Diatoma hyemalis Gomphonema augur Navicula cuspidata Diatoma mesodon Nitzschia capitellata Gyrosigma nodiferum Ellerbeckia arenaria Nitzschia constricta Meridion circulare Navicula viridula Nitzschia hungarica Pinnularia brebissonii Surirella brebissonii Surirella ovalis MA LA PROLIFERAZIONE ALGALE E’ SEMPRE POSITIVA PER L’AMBIENTE? Eutrofizzazione ricchezza di sostanze nutritive Notevole sviluppo della vegetazione e del fitoplancton. -Sulla superficie dello specchio: una limitazione degli scambi gassosi (meno passaggio O2 da atmosfera). -Morte algale: meccanismi decompositivi, putrefattivi, fermentativi che liberano grandi quantità di ammoniaca, metano e acido solfidrico, rendendo l'ambiente inospitale anche per altre forme di vita. -Sviluppo organismi anaerobi che sviluppano sostanze tossiche e maleodoranti L’eutrofizzazione è un arricchimento delle acque in sali nutritivi che provoca cambiamenti strutturali all’ecosistema come: l’incremento della produzione di alghe e piante acquatiche, l’impoverimento delle specie ittiche, la generale degradazione della qualità dell’acqua ed altri effetti che ne riducono e precludono l’uso”. Questa è una delle prime definizioni date al processo eutrofico dall’OCSE (Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico) negli anni ’70.  Cause dell’eutrofizzazione Eccessivo uso di fertilizzanti agricoli: sostanze nutritive ad alte concentrazioni, il suolo non riesce più ad assimilarle, vengono trasportate dalle piogge nei fiumi e nelle acque sotterranee che confluiscono nei laghi o nei mari. Scarico delle acque reflue nei corpi idrici (paesi in via di sviluppo o per abusivismo senza depurazione) Riduzione della capacità autodepurativa (accumulo di sedimenti). Fioritura algale del 2010 lungo la costa di Qingdao, Cina orientale (http://www.nationalgeographic.it/) Le alghe sono utili all'uomo? Le alghe sono utili all'uomo? FERTILIZZANTE: utilizzate come concime per fertilizzare il suolo perché mettono a disposizione delle piante i sali minerali che ne favoriscono la crescita. SISTEMI INTEGRATI DI ALLEVAMENTO: fitorimedio (rimuovono il 90% dei nutrienti nelle deiezioni animali); biogas. PRODUZIONE DI AGAR: Le pareti cellulari di alcune alghe rosse contengono l'agar, una sostanza mucillaginosa di cui il Giappone è il maggiore produttore (cosmetici, capsule di medicinali, gelatine, terreni di coltura). ALIMENTO: Soprattutto in Giappone, ma anche in Cina e nelle isole del Pacifico, le alghe sono un alimento diffuso perché ricco di vitamine e di sali minerali, analogamente agli alimenti vegetali che caratterizzano la nostra dieta (zuppe/sushi). Tradizionalmente utilizzate in medicina per il trattamento della deficienza di iodio) Alghe rosse per la produzione di agar agar L’agar agar (o kanten, com’è noto nel suo paese di origine, il Giappone), è un estratto naturale di alcune varietà di alghe rosse. E’ un polisaccaride che viene impiegato come gelificante Sistemi di coltivazione delle alghe  Mercato delle alghe Mercato in forte espansione Popolazione Mondiale crescita (alimenti) Non utilizza terra arabile Raccolta Qualità dell’acqua è fondamentale Sistemi di coltivazione delle alghe Industria in crescita (da 3,8 milioni ton nel 1990 a 19milioni nel 2010; FAO). 95% delle alghe in commercio risulta dalla coltivazione (non dal raccolto casuale). Ambienti variabili (salinità, nutrienti, temperatura, luce…) Sistemi di raccolta diversi a seconda della specie (rimozione dell’intera pianta/solo della parte superiore) Vengono commercializzate come farina di alghe: essicazione, macinazione SISTEMI APERTI-ORIZZONTALI- PANNELLI- VERTICALI Alghe come alimenti funzionali Mercato degli alimenti funzionali in grande crescita (annual rate 15-20%) Polisaccaridi Vitamine Sostanze bioattive (proteine, lipidi e polifenoli) Semplice coltivazione ed elevate Alghe hanno un grande biomassa potenziale sia come alimenti Governo della Malesia: scale up funzionali che come base per Da 13,500 ton del 2010 estratti funzionali A 150,000 ton nel 2020) Alghe come alimenti funzionali Alto contenuto di fibra (+++solubile: ingrediente funz. per la prevenzione di patologie come obesità, diabete e patologie cardiovascolari ). 20g di Ggracilaria changii (a.rossa) è sufficiente per soddisfare il 50% del fabbisogno giornaliero. Basso contenuto lipidico * Carotenoidi naturali (attività antitumorale; maggior assorbimento rispetto alle molecule di sintesi) Composizione dei nutrienti principali delle alghe utilizzate in alimentazione Alghe come alimenti funzionali Proteine La composizione aminoacidica riflette il fabbisogno in aminoacidi essenziali dell’uomo/animali. Alghe come alimenti funzionali Profilo lipidico Il profilo lipidico differisce rispetto a quello Variazioni stagionali delle piante terrestri e fattori abiotici Il contenuto di PUFA è elevato (+++ EPA (luce, salinità, e acido arachidonico) nutrienti) PUFAs>MUFAs>SFAs n3PUFA= 98% n6PUFA=2% Rapporto ideale: n6/n3