Metagenomics Approaches to Analyze Mirobial Biodiversity: development of new technologies and their subsequent application to environmental studies and bioreactor optimization

Metagenomics represents a recent approach to better analyze and characterize the environmental microbial biodiversity. The great advances in the field of nucleic acids sequencing allow to deeply analyze a microbial community focusing on specific genetic markers, the 16S rRNA genes. In this work, the ribosomal genetic sequences of two bacterial population samples were deciphered using high throughput new generation sequencing. A consortium of Annamox bacteria capable of metabolize nitrogen-based compounds was analyzed. These organisms are strongly interesting because of their potential application in bioremediation of nitrogen-based pollutants. Several tools to follow the community development and to identify related species populating a well-defined Annamox system were developed. Moreover, the dromedary rumen, Camelus dromedarius, was analyzed as example of natural bioreactor containing a microbial poulation specialized in the vegetal fibers transformation. From this study, several cellulosolitic active bacteria that will become a potential resource for new biotransformation processes were found, suggesting a possible application in the field of livestock feed production

La metagenomica rappresenta un nuovo approccio finalizzato all’analisi e alla caratterizzazione della biodiversità microbica presente in un ambiente. Grazie allo sviluppo della tecnologie legate al sequenziamento, è possibile condurre un’analisi approfondita di un microbioma sfruttando marcatori genomici specifici come i geni 16S rRNA. In questo elaborato, sono state analizzate le popolazioni batteriche di due campioni basandosi sulle sequenze di geni ribosomali ottenute tramite sequenziamento ad alta produttivita’. L’analisi di un bireattore pilota in cui e’ stato selezionato un consorzio di batteri in grado di metabolizzare ammonio, ha permesso di identificare una popolazione Anammox. La potenzialità di questi organismi è rivolta allo sviluppo di nuove strategie per abbattere i livelli di composti azotati che si accumulano come scarto da diversi tipi di lavorazione industriale. Sono stati inoltre messi a punto strumenti validi sia per l’identificazione di nuove specie correlate che per il monitoraggio di un sistema nel quale l’equilibrio e’ gia’ instaurato. Inoltre è stato analizzato un bioreattore naturale rappresentato dalla cavità ruminale del dromedario, Camelus dromedarius, in cui una comunità si è specializzata nella trasformazione di substrati, quali le fibre vegetali. L’interesse nasce dalle numerose e potenziali applicazioni, tra le quali l’impiego nella produzione di mangimi per gli animali da allevamento. L’analisi ha infatti evidenziato la presenza di numerose specie note per la loro grande capacita’ cellulosolitica e quindi di una potenziale risorsa per nuovi processi di biotrasformazione