Course Syllabus
Obiettivi
L'insegnamento si propone di fornire conoscenze approfondite sullo studio delle comunità microbiche in ambienti naturali ed antropici, sui processi ecologici che le regolano e sulle loro funzioni negli ecosistemi.
1. Conoscenza e capacità di comprensione. Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà conoscere: i metodi di studio delle comunità microbiche; i principi che regolano la tassonomia microbica e i relativi problemi; i principali taxa microbici presenti nei diversi comparti ambientali e le funzioni da essi svolte, anche in termini di servizi ecosistemici forniti; i processi ecologici che regolano le comunità microbiche; le principali interazioni dei microrganismi con animali, piante ed ambiente antropico.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite nel corso dimostrando di saper includere gli aspetti microbiologici nello studio di ecosistemi naturali ed antropici.
3. Autonomia di giudizio. Lo studente dovrà essere in grado di ipotizzare quali siano i processi ecologici ed i servizi ecosistemici imputabili ai microrganismi in una molteplicità di contesti naturali ed antropici.
4. Abilità comunicative. Alla fine dell'insegnamento lo studente saprà descrivere in modo appropriato le tematiche studiate utilizzando il corretto lessico specifico.
5. Capacità di apprendimento. Alla fine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di consultare la letteratura sugli argomenti trattati e integrare in autonomia le conoscenze acquisite con altre legate ai processi ecologici in oggetto, anche con approccio multidisciplinare.
Contenuti sintetici
1. Metodi di studio delle comunità microbiche. 2. Diversità tassonomica dei microrganismi. 3. Ruolo dei batteri nei cicli biogeochimici e impatto dei cambiamenti climatici sulle attività microbiche. 4. I batteri nei compartimenti ambientali e le loro funzioni: batteri del suolo, delle acque interne, della criosfera, dell’atmosfera. 5. Processi ecologici applicati alle comunità microbiche e interazioni tra specie. 6. Ruoli ecologici dei microbiomi associati a piante e animali. 7. I batteri nei beni culturali. 8. Laboratorio di microbiologia molecolare 9. Laboratorio di bioinformatica
Programma esteso
1. Metodi di studio delle comunità microbiche.
Tecniche classiche di coltivazione, isolamento e caratterizzazione di ceppi microbici. Basi di tassonomia microbica. Problemi di coltivabilità. Tecniche molecolari di studio delle comunità. Metodi di valutazione dell’attività microbica in situ. Metodi “-omics”.
2. Diversità tassonomica dei microrganismi.
Principali taxa dei domini Bacteria e Archaea e loro funzioni. L’albero della vita universale. Il ruolo del trasferimento genico orizzontale (HGT).
3. Ruolo dei batteri nei cicli biogeochimici e impatto dei cambiamenti climatici sulle attività microbiche.
Il ciclo biologico del carbonio: fototrofia/chemiotrofia; autotrofia/eterotrofia; il ciclo del metano. I cicli biologici dell’azoto, dello zolfo, del ferro e di elementi minori. Impatto dei cambiamenti climatici sull’attività microbiologica.
4. I batteri nei compartimenti ambientali e le loro funzioni.
I batteri del suolo. I batteri delle acque interne; focus sulla dispersione dei geni di resistenza agli antibiotici. I batteri della criosfera. I batteri dell’atmosfera e il loro trasporto.
- Processi ecologici applicati alle comunità microbiche e interazioni tra specie.
Selezione, dispersione, drift. Mutualismi, commensalismi, predazione e parassitismo tra microrganismi e tra micro- e macrorganismi.
6. Ruoli ecologici dei microbiomi associati a piante e animali.
I batteri della fillosfera e della rizosfera. I microbiomi, in particolare intestinali, associati agli animali e agli esseri umani.
7. I batteri nei beni culturali.
Biodeterioramento e interventi biologici di recupero di manufatti (biocleaning).
8. Laboratorio di microbiologia molecolare.
Estrazione di DNA da suolo, analisi e quantificazione di marcatori tassonomici e funzionali
9. Laboratorio di bioinformatica.
Dati da sequenziamenti tradizionali e high-throughput: formati e banche dati. Elaborazione bioinformatica dei dati.
Prerequisiti
Sono necessari i concetti di base di Microbiologia generale e/o Biologia cellulare.
Modalità didattica
Lezioni frontali supportate da presentazioni PowerPoint (4,5 CFU; 36 h). Laboratorio (1,5 CFU): laboratorio di microbiologia molecolare (8 h) e laboratorio di bioinformatica (7 h). L'intero materiale didattico sarà messo a disposizione degli studenti tramite e-learning.
Materiale didattico
Slides reperibili sulla pagina e-learning dell'insegnamento.
Testi di approfondimento consigliati:
1. Brock, Biologia dei Microrganismi: microbiologia generale, ambientale e industriale, Pearson (disponibile in biblioteca).
2. Biavati e Sorlini, Microbiologia agroambientale.
Tuttavia, poiché non esiste un vero e proprio libro di testo che copre tutti gli argomenti trattati dal corso, è fortemente consigliata la frequenza.
Articoli scientifici per approfondimenti messi a disposizione dal docente.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
COLLOQUIO SUGLI ARGOMENTI SVOLTI A LEZIONE: prevede 3 domande di carattere generale sugli argomenti trattati durante le lezioni frontali. Lo studente dovrà dimostrare di saper esporre con chiarezza le conoscenze acquisite, dimostrando la loro completa comprensione e proprietà di linguaggio. Il voto è espresso in trentesimi.
Facoltativamente, è possibile scegliere un argomento di interesse ed approfondirlo tramite lo studio di un articolo scientifico tra quelli messi a disposizione. In questo caso, una delle tre domande sarà sostituita dall'argomento a scelta.
Orario di ricevimento
Su appuntamento fissato tramite e-mail (isabella.gandolfi@unimib.it)
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims at providing in-depth knowledge on the assessment of microbial communities in natural and anthropic environments, on the ecological processes that regulate them, and on their functions in the ecosystems.
1. Knowledge and understanding. At the end of the course the student must know: the methods for characterization of microbial communities; the principles at the basis of microbial taxonomy and related problems; the main microbial taxa found in different environmental compartments and their functions, also in terms of ecosystem services provided; the ecological processes that drive microbial communities; the main interactions of microorganisms with animals, plants and anthropic environment.
2. Applying knowledge and understanding. At the end of the course the student must be able to apply the knowledge acquired during the course demonstrating his/her ability to include microbiological aspects in the assessment of natural and anthropic ecosystems.
3. Making judgments. The student must be able to make hypotheses about ecological processes and ecosystem services due to microbial activities in a variety of natural and anthropic contexts.
4. Communication skills. At the end of the course the student will be able to describe appropriately the topics studied using the correct specific vocabulary.
5. Learning skills. At the end of the course the student will be able to consult the literature on the covered topics and to autonomously integrate the acquired knowledge with concepts related to the studied ecological processes, also with a multidisciplinary approach.
Contents
1. Characterization of bacterial communities. 2. Taxonomic diversity of microorganisms. 3. Role of bacteria in biogeochemical cycles and climate change impact on microbial activities. 4. Bacteria of environmental compartments: soil, freshwater, cryosphere and atmosphere bacteria. 5. Ecological processes applied to microbial communities and species interactions. 6. Ecological roles of animal and plant-associated microbiomes. 7. Bacteria in cultural heritage. 8. Molecular microbiology practical 9. Bioinformatics practical
Detailed program
1. Characterization of bacterial communities.
Cultivation techniques, isolation and identification of microbial strains. Microbial taxonomy. Culturability issues. Molecular techniques for community characterization. Evaluation methods of in situ microbial activity. “Omics” methods.
2. Taxonomic diversity of microorganisms.
Main taxa of domains Bacteria and Archaea and their functions. The universal tree of life. Role of Horizontal Gene Transfer.
3. Role of bacteria in biogeochemical cycles and climate change impact on microbial activities.
The biological cycle of carbon: phototrophy/chemotrophy; autotrophy/heterotrophy; methane cycle. The biological cycles of nitrogen, sulfur, iron and minor elements. The impact of climate change on microbiological activities.
4. Bacteria of environmental compartments and their functions.
Soil bacteria. Freshwater bacteria; focus on antibiotic resistance gene transfer. Cryosphere bacteria. Airborne bacteria and their dispersal.
5. Ecological processes applied to microbial communities and species interactions.
Selection, dispersal, drift. Mutualisms, commensalisms, predation and parasitism among microorganisms and among micro- and macroorganisms.
6. Ecological roles of animal and plant-associated microbiomes.
Phyllosphere and rhizosphere bacteria. Microbiomes (particularly gut microbiomes) associated to animals and humans.
7. Bacteria in cultural heritage.
Biodeterioration and biological remediation of artwork surfaces (biocleaning).
8. Molecular microbiology practical.
DNA extraction from soil samples, analysis and quantification of taxonomic and functional markers
9. Bioinformatics practical.
Traditional and high-throughput sequencing data: formats and databases. Bioinformatics data processing.
Prerequisites
Basics of Microbiology and/or Cell Biology
Teaching form
Lectures supported by PowerPoint presentations (4.5 CFU; 36 h). Practical (1.5 CFU): molecular microbiology practical (8 h) + bioinformatics practical (7 h). Teaching material will be made available to students through e-learning
Textbook and teaching resource
Slides are available at the e-learning page of the course.
Reference books:
1. Brock, Biologia dei Microrganismi: microbiologia generale, ambientale e industriale, Pearson (available at the library).
2. Biavati e Sorlini, Microbiologia agroambientale.
However, since there is no a proper textbook covering all the program contents, attending the course is highly recommended.
Scientific papers are available for supplementary study.
Semester
First semester
Assessment method
ORAL EXAMINATION ON TOPICS COVERED IN CLASS: 3 general questions on the topics covered during the lectures. The students must demonstrate to be able to clearly expose the acquired knowledge, demonstrating their complete understanding and language properties.
Optionally, it is possible to choose a topic of interest and study it in more detail through one of the available papers. In this case, one of the three questions will be replaced by the selected topic.
Office hours
By appointment (e-mail: isabella.gandolfi@unimib.it)
