Mikrobiologia- egzamin

1.Porównanie komórki prokariotycznej z eukariotyczną

Eukariota mają jądro (gr. karyon), które zawiera większą część genomu umieszczonego w zespole chromosomów. Chromosomy są replikowane w procesie zwanym mitozą. W chromosomach DNA jest połączony z zasadowymi białkami zwanymi histonami. W komórce eukariotycznej znajdują się też organelle, takie jak mitochondria i (w roślinach) chloroplasty, które zawierają małą część genomu w formie koliście zamkniętych cząsteczek DNA. Rybosomy eukariotyczne są stosunkowo duże.

Prokariota nie mają wyodrębnionego jądra otoczonego błoną, DNA występuje w cytoplazmie jako koliście zamknięta cząsteczka. Ten pojedynczy chromosom zawiera wszystkie informacje niezbędne do odtworzenia komórki. Ponadto w komórce występować może jedna lub więcej małych, kolistych cząsteczek DNA, zwanych plazmidami; te jednak nie są niezbędne. Komórka prokariotyczna nie zawiera wydzielonych organelli błonowych. Każdy podział wnętrza komórki na przedziały (kompartmentacja) jest mniej wyraźny niż u eukariontów. Rybosomy prokariotyczne są stosunkowo małe. Właściwości prokariotycznych rybosomów i enzymów biorących udział w syntezie białek, jak i budowa ścian bakteryjnych, są podstawą selektywnego działania szeregu antybiotyków.Prokariota są stosunkowo słabo zróżnicowane morfologicznie. Można wyróżnić jedynie kilka podstawowych kształtów, będących pochodnymi kuli i prostych bądź zakrzywionych cylindrów. Małemu zróżnicowaniu kształtów towarzyszy zadziwiająca różnorodność i zmienność właściwości metabolicznych. Podczas gdy wszystkie rośliny i zwierzęta potrzebują tlenu, istnieją grupy prokariotów, które mogą żyć beztlenowo i potrafią uzyskiwać energię potrzebną do wzrostu w drodze fermentacji lub oddychania beztlenowego. Inne grupy są zdolne do wykorzystania energii słonecznej i mogą syntetyzować swoją materię komórkową bądź ze związków organicznych, bądź z dwutlenku węgla. Pewne grupy bakterii mogą otrzymywać energię z utleniania związków nieorganicznych lub metali. Szeroko jest rozpowszechniona wśród bakterii zdolność wiązania azotu atmosferycznego

2. Archeony a bakterie. Podobieństwa i różnice

Różnice:

Archeony są stosunkowo słabo zbadane, m.in. ze względu na trudności w hodowli i obserwacji, opisywane często w kontekście różnic względem eubakterii. Główne z tych różnic to odmienna budowa ściany komórkowej (a konkretnie brak mureiny) oraz obecnośćeterów rozgałęzionych nienasyconych kwasów tłuszczowych i glicerolu przy jednoczesnym braku fosfolipidów w błonie komórkowej. Te etery, przebiegające zwykle przez obie warstwy błony, powodują, że jest ona częściowo jednowarstwowa. Ściana komórkowa nie zawierapeptydoglikanów. Archeowce mają też nietypowe procesy metaboliczne (chemoautotrofy, np. redukujące siarczany).

Istnieje istotna różnica między bakteriami a archeonami, jeśli chodzi o organizację materiału genetycznego. U archeonów kwas DNA jest upakowany w nić nukleosomów, której rdzeń tworzą białka histonowe. Ponadto materiał genetyczny archebakterii jest nieciągły, to znaczy przedzielony intronami.

Pewne cechy procesów transkrypcji i translacji u archeowców przypominają bardziej eukarioty niż bakterie, przykładowo polimeraza RNA zbudowana jest podobnie do eukariotycznych polimeraz RNA, a do inicjacji transkrypcji potrzebuje białek homologicznych do eukariotycznego TFIIB (TFB) i eukariotycznego białka wiążącego sekwencję TATA (TBP).

3. Wielkość i kształt komórek bakteryjnych.

Komórki bakteryjne mają rozmiar rzędu 1 µm (10^-6m). Ich kształt da się sprowadzić do trzech podstawowych typów morfologicznych: kulisty, cylindryczny, skręcony.Formy kuliste nazywane są ziarniakami (łac. coccus). Ziarniaki mogą występować jako pojedyncze komórki lub układy dwukomórkowe (dwoinki), wielokomórkowe ułożone w pakiety sześcienne (pakietowce), łańcuszki (paciorkowce) lub grona (gronkowce).Formy cylindryczne nazywa się pałeczkami (łac. bacterium). Należy tu najważniejsza z sanitarnego punktu widzenia grupa bakterii - bakterie jelitowe. Niektóre pałeczki są na jednym końcu grubsze i przypominają maczugę (corynebacterium - maczugowiec). Część form pałeczkowatych bardziej wydłużona i prostopadle ucięta na końcach określana jest mianem laseczek (łac. bacillus). Laseczki mają zdolność do wytwarzania wewnątrz komórek tzw. przetrwalników (endospor), które sprawiają, że są one niezwykle odporne na niekorzystne warunki środowiska (wytrzymują gotowanie i długotrwałe wysuszenie).Formy skręcone mają zwykle albo postać przecinkowato zgiętych pałeczek (przecinkowce) albo komórek skręconych śrubowato (śrubowce i krętki).

4.Omów budowę i funkcje form przetrwanych

Przetrwalnik. Formy spoczynkowe umożliwiające organizmom przetrwanie niekorzystnych dla nich warunków (susza, niskie temperatury).Endospory. Spoczynkowe, przetrwalnikowe formy bakterii, charakteryzujące się znacznym stopniem odwodnienia zawartej w nich cytoplazmy oraz grubymi i wielowarstwowymi osłonami. Umożliwiają bakteriom przetrwanie skrajnie niekorzystnych warunków (brak wody i substancji odżywczych, wysoka i niska temperatura, wysychanie, promienie UV, niekorzystne pH). Występują u niektórych bakterii (Bacillus, Clostridium, Sporosarcina), głównie gramdodatnich. Powrót endospor do życia, czyli tzw. germinacja lub kiełkowanie przetrwalnika, polega na pobraniu wody, rozerwaniu ściany i utworzeniu normalnej komórki wegetatywnej. Sygnałem biochemicznym do wyjścia ze stadium endospory jest wzrost stężenia alaniny, adenozyny lub tyrozyny w środowisku. Endospory bakterii są swego rodzaju kapsułami ratunkowymi. Powstają wewnątrz komórki przez obudowanie genoforu (wraz z pewna ilością cytoplazmy, błoną komórkową i rybosomami) wielowarstwową ścianką złożoną z białek i cukrów wysyconych tłuszczami.

Sporulacja. Proces tworzenia endospory, przebiega on według następującego schematu:

I stadium – uwypuklenie błony cytoplazmatycznej do wnętrza komórki. Tworzy się przegroda.

II stadium – DNA dzieli się na genofor sporangium i genofor prespory.

III stadium – DNA prespory zostaje oddzielone i otoczone dwiema błonami cytoplazmatycznymi.

IV stadium – wewnętrzna błona tworzy ścianę komórkową przetrwalnika, a zewnętrzna daje do środka korteks.

V stadium – zakończenie formowania korteksu i osłon białkowych.

VI stadium – osłonki stają się nieprzepuszczalne i ciepłoodporne, silnie załamuje światło, ustanie metabolizmu i wejście w stan anabiozy.

VII stadium – uwolnienie endospory spowodowane lizą sporangium.

Cysty. Niektóre bakterie tworzą okrągłe, grubościenne komórki zwane cystami. Powstają one, gdy zostaną wyczerpane składniki odżywcze. W cystę zostaje przekształcona cała cylindryczna komórka wegetatywna, a nie tylko jej część, jak przy tworzeniu endospor. Cysty gatunków należących do Azotobacter i Methylocystis są odporne na wysychanie, mechaniczne naprężenia i promieniowanie, ale nie na ciepło.

5. budowa i funkcje rzęsek, typy urzęsienia

Rzęski bakteryjne. Delikatne wypustki cytoplazmatyczne bakterii stanowiące ich narząd ruchu. Ruch u orzęsionych bakterii jest wywołany rotacją rzęsek. Rzęski są krótkie i liczne. Składają się ze spiralnie skręconych włókien flageliny, które są zakotwiczone za pomocą haczyka w błonie i ścianie komórkowej. Owa konstrukcja nadaje rzęsce ruch obrotowy. Rzęski są charakterystyczne dla orzęsków.Rzęski jądrowców. Wewnątrz wypustek znajdują się mikrotubule tworzące dublety, dziewięć ułożonych okrężnie i jeden w centrum. Tworzy to tzw. strukturę 9+2. Mikrotubule połączone są między sobą białkiem dyneiną. Typy urzęsienia bakterii: bezrzęse, monotrichalne, amfitrichalne, lofotrichalne, peritrichalne.

6. Budowa i funkcje fimbrii

Fimbrie składają się z cienkich delikatnych białkowych rurek sterczących z cytoplazmy. Ich główną funkcją jest ułatwianie przylegania bakterii do innej komórki (np. w celu zainfekowania jej), czyli adhezji. Odmianą fimbrii pełniących ważną rolę w procesie zwanym koniugacją są fimbrie płciowe lub inaczej pile. Obecność tych ostatnich stwierdzono w komórkach dawców, a więc w szczepach zawierających czynnik płciowy F⁺. Występują u bakterii gramujemnych, głównie z rodzaju Enterobacteriaceae.

7. Budowa i funkcje ściany komórkowej mikroorganizmów

Kształt komórki determinuje ściana komórkowa, która dodatkowo chroni komórkę przed pęknięciem w wyniku zwiększonego napływu wody do jej wnętrza. U bakterii właściwych (czyli także sinic) zbudowana jest z biopolimeru peptydowo-wielocukrowego – mureiny, zaś u archeabakterii głównym jej składnikiem jest pseudomureina lub białka ułożone w tzw. warstwę S. Część archeanów i wszystkie mikoplazmy (grupa bakterii) nie posiadają ściany komórkowej. U bakterii grubość ściany komórkowej warunkuje, jaki będzie rezultat barwienia metodą Grama i de facto jest podstawą klasyfikacji bakterii na gramdodatnie i gramujemne. Te pierwsze (G+) mają ścianę o grubości 15-50 nm, zaś drugie (G-) kilkukrotnie cieńszą, 2-10 nm. Różnica ta pociąga za sobą także odmienności w fizjologii i wrażliwości na leki między obiema grupami bakterii. Ściana komórkowa jądrowców. Ściana komórkowa grzybów zbudowana jest najczęściej z chityny (rzadziej z celulozy i innych związków), zaś roślin z włókien celulozowych tworzących mikrofibryle zatopione w macierzy. Macierz ta składa się głównie z wody, hemiceluloz, pektyn i białek.

8. Budowa i funkcje rybosomów

Gęsto rozsiane w komórce rybosomy zbudowane są, podobnie jak u jądrowych, z RNA. Rybosomy składają się z dwóch podjednostek; u bakterii są to mniejsza podjednostka 30S i większa podjednostka 50S, które łącząc się dając rybosom 70S.Rybosomy jądrowców. Są one, podobnie jak u bezjądrowych, zbudowane z dwóch podjednostek, mają taki sam skład chemiczny (rRNA i białka zasadowe) oraz pełnią taką samą funkcję (są miejscem biosyntezy białek), niemniej różnią się od nich wielkością. U Eucaryota współczynnik sedymentacji całego rybosomu wynosi 80S, jego małej podjednostki 40S, dużej – 60S.

9. Budowa i funkcje błony cytoplazmatycznej

Błona cytoplazmatyczna, elementarna, główna bariera osmotyczna (osmoza) komórki, umiejscowiona pomiędzy cytoplazmą a ścianą komórkową. Zbudowana jest z podwójnej warstwy lipidów (tłuszczy) w której zatopione są cząsteczki białek o różnych funkcjach np. transportujących, antygenowych (antygeny transplantacyje), koordynujących reakcje związane z błoną elementarną.

Różne typy błon elementarnych charakteryzuje odmienny, specyficzny skład lipidów. Najłatwiej są one przepuszczalne dla substancji rozpuszczających się w tłuszczach. Błony elementarne różnych organelli komórkowych mogą występować w różnym układzie, np. błonę komórkową tworzy pojedyncza błona elementarna, natomiast błony jądrowe, mitochondrialne i chloroplastów składają się z dwóch błon blisko siebie położonych. Błona cytoplazmatyczna zapewnia kontrolę wymiany drobnocząsteczkowych substancji, pochodzących z otaczającegośrodowiska, oraz usuwanych z komórki metabolitów. Reguluje m.in. wydzielanie ektotoksyn bakteryjnych, mechanizmy związane z oddychaniem enzymatycznym są również w niej zlokalizowane (aktywność cytochromowa, cytochromy).

10. Budowa i funkcje nukleoidu

Materiał genetyczny stanowi kolisty, dwuniciowy DNA, zwany genoforem, nukleoidem lub chromosomem bakteryjnym. DNA komórki nie jest, w przeciwieństwie do Eucaryota, osłonięty błoną i pływa dość swobodnie w cytoplazmie (rzadkością jest, że genofor związany jest z błoną komórkową). Genofor zajmuje stosunkowo małą powierzchnię do swojej długości w wyniku silnego poskręcania stabilizowanego przez białka histonopodobne lub, u Archea, przez histony. Częstym jest, że oprócz nukleoidu w komórce mikroorganizmów występują znacznie mniejsze, również koliste cząsteczki DNA zwane plazmidami, które warunkują dodatkowe cechy, jak na przykład oporność na antybiotyki, czy zdolność wytwarzania toksyn. Plazmidy mogą być przekazywane na komórki potomne lub na inne komórki w procesach koniugacji, transformacji i transdukcji, czego konsekwencją jest przekazanie zakodowanych w plazmidzie właściwości.

12. skład chemiczny komórek

W skład organizmów żywych wchodzą pierwiastki (makro-, mikro- i ultraelementy), które budują związki nieorganiczne (woda i sole mineralne) oraz związki organiczne (cukrowce, tłuszczowce, białka i kwasy nukleinowe).Skład pierwiastkowy:- makroelementy to: C, H, N, O, P, S (te sześć pierwiastków to pierwiastki biogenne) oraz K, Na, Ca, Mg, Cl,- mikroelementy: Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, Co, B, J, F, Se, Si,- ultraelementy: Au, Ag, Hg, (czasami: Cd, Pb).

13. Budowa i systematyka wirusów. Przykłady wirusów z różnych grup systematycznych

Zagadnienia dotyczące budowy wirusów dotyczą właściwie tylko stadium zdolnego do zakażenia komórki gospodarza. Pojedynczą, aktywną jednostkę wirusa nazywamy wirionem. Każdy wirion wykazuje obecność określonych elementów, a są nimi kapsyd i kwas nukleinowy:

• kapsyd, czyli płaszcz białkowy, okrywa kwas nukleinowy; zbudowany jest z łańcuchów białkowych, zwanych kapsomerami;

• kwas nukleinowy niesie informację genetyczną niezbędną do replikacji oraz koduje białka strukturalne (kapsomery) i ewentualnieenzymy (np. odwrotną transkryptazę).

Kwas nukleinowy wraz z kapsydem nazywamy nukleokapsydem.

Oprócz tego niektóre wirusy mogą być otoczone dodatkową osłonką lipidową. Dotyczy to tych serotypów, które uwalniają się z komórki przez pączkowanie. Ponieważ błona jest im zwykle potrzebna do kolejnej infekcji, takie wiriony są wrażliwe na niszczący ją atak dopełniacza.

Istotną cechą systematyczną jest zagadnienie symetrii wirionu. Wyróżnia się trzy jej rodzaje:

• symetrię kubiczną, która charakteryzuje się tym, że wirion ma kształt bryły foremnej; zwykle jest to dwudziestościan foremny(ikozaedr), stąd inna nazwa tej symetrii – symetria ikozaedralna;

• symetrię helikalną, którą obserwujemy u wirusów mających śrubowato zawinięty nukleokapsyd;

• symetrię złożoną, która opisuje wirusy nie dające się zaliczyć do dwóch poprzednich rodzajów symetrii.

Symetria wirionu może nie być dostrzegalna na pierwszy rzut oka, co wynika z faktu istnienia osłonek lipidowych, mogących zakrywać rzeczywisty kształt nukleokapsydu. Jest tak zwłaszcza w przypadku wirusów o symetrii helikalnej, których otoczka jest dodatkowo wzmocniona warstwą tzw. białka M.

Systematyka wirusów:

• Wirusy dsDNA – zawierają dwuniciowy DNA-wirus opryszczki

• Wirusy ssDNA – zawierają jednoniciowy DNA-prawowirus B19

• Wirusy używające odwrotnej transkryptazy- wirus zapalenia wątroby typu B, HIV

• Wirusy dsRNA – zawierają dwuniciowy RNA-wirus gorączki kleszczowej

• Wirusy ssRNA(-) – zawierają jednoniciowy RNA o ujemnej polarności-wirus grypy

• Wirusy ssRNA(+) – zawierają RNA o dodatniej polarności-ludzkie enterowirusy (wirusy Coxsackie),wirusy ECHO; echowirusy, wirus polio, poliowirus

14. budowa wirusa grypy. Przyczyny jego zmienności

Materiał genetyczny wirusa (genom) ma postać RNA, zawartego w lipidowo-białkowej otoczce (nukleokapsyd). Rdzeń składa się z nukleoproteiny z RNA. Otoczony jest przez białko M, które z kolei otacza osłonka lipidowa. W osłonce znajdują się silnie immunogenne glikoproteiny: hemaglutynina oraz neuraminidaza. Wirus A przechowuje swój genom w postaci ośmiu niezależnych liniowych odcinków odwrotnego RNA. Każdy z nich zawiera jeden gen, ale dwa z nich zawierają więcej niż jeden punkt startowy. Podczas translacji RNA geny te mogą być odczytywane przez rybosomna dwa sposoby, co daje po dwie odmiany białek. Dzięki podziałowi na segmenty możliwa jest wymiana genów pomiędzy dwoma wirusami pasożytującymi na tej samej komórce. Przypomina to trochę mieszanie się genów u organizmów wyższych podczas rozmnażania płciowego. Jednak takie krzyżowanie się genów występuje bardzo rzadko. Szczególnie nieprawdopodobne jest spotkanie się w tej samej komórce wirusa potrafiącego zarażać ludzi oraz innego przenoszonego przez zwierzęta. W takiej sytuacji może powstać zupełnie nowy szczep zdolny do wywołania pandemii. Aby doszło do tej mało prawdopodobnej sytuacji, człowiek lub zwierzę (np. świnia) musi się zarazić ludzkim oraz zwierzęcym wirusem w tym samym momencie

15. Rozmnażanie bakteriofagów: cykl lityczny i lizogenny. Znaczenie fagów

Bakteriofag, fag – wirus atakujący bakterie. Przeważnie dany bakteriofag zdolny jest do infekcji tylko jednego gatunku (a czasem tylko szczepu) bakterii. Mogą przybierać kształty złożone (buławkowate), pałeczkowate lub wielościenne.

Zakażenie następuje w ten sposób, że kwas nukleinowy jest wstrzykiwany przez otwór komórki bakterii, zrobiony przez białko kurczliwe pod ogonkiem. Część białkowa wirusa (tzw. otoczka, czyli kapsyd) pozostaje na zewnątrz. Bakteriofagi zjadliwe namnażają się i zabijają bakterię, łagodne zaś wbudowują się w chromosom komórki bakteryjnej i mogą istnieć przez wiele pokoleń bakterii.

Bakteriofagi można podzielić na:

• zawierające dwuniciowy DNA – największa grupa bakteriofagów o budowie mieszanej, wielościennej główce, wielkości 100 nm i mające "ogonek";

• zawierające jednoniciowy DNA – wielkości 27 nm, o budowie wielościennej lub helikalnej;

• zawierające RNA – wielkości 20-25 nm, o budowie wielościennej.

Wybrane szczepy bakteriofagów są wykorzystywane do niszczenia bakterii chorobotwórczych. Terapia fagowa jest stosowana w przypadku infekcji antybiotykoopornych. W Polsce oferuje ją Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej Polskiej Akademii Nauk we Wrocławiu.

Cykl lityczny – cykl życiowy bakteriofaga polegający na zakażeniu bakterii, produkcji nowych cząstek fagowych, rozpadzie bakterii i uwolnieniu nowych bakteriofagów.

Etap pierwszy: adsorpcja - przyczepienie bakteriofaga do ściany komórkowej bakterii. Aby przedostać się przez ścianę komórkową wirusy wykorzystują receptory obecne na powierzchni komórki albo za pomocą swoich białek przebijają ścianę komórkową.
Etap drugi: penetracja - kapsyd pozostaje na zewnątrz, a materiał genetyczny wirusa jest wstrzykiwany do cytoplazmy gospodarza, gdzie wykorzystuje mechanizmy komórek gospodarza do produkcji nowych cząsteczek wirusa. W przypadku wirusów DNA ich DNA jest transkrybowane na RNA, a następnie na jego matrycy powstają białka. Jedno z pierwszych białek, które ulega translacji służy do zniszczenia DNA bakterii. Retrowirusywykorzystują enzym odwrotną transkryptazę do przepisania RNA na DNA, które następnie znów jest transkrybowane na RNA. Kolejny etap to składanie nowych wirusów - kopiiwirionu, który zaatakował komórkę.
Etap trzeci: uwolnienie - komórka gospodarza ulega rozpadowi (lizie - stąd nazwa cykl lityczny), a kopie wirusa wydostają się na zewnątrz. Niektóre wirusy nie powodują rozpadu komórki, ale uwalniane są stopniowo.

Cykl lizogenny, cykl lizogeniczny (biogenny) inaczej lizogenia - odmiana replikacjiwirusów, polegająca na wnikaniu materiału genetycznego wirusa do komórki gospodarza i jego replikacji wraz z DNA gospodarza, która nie prowadzi do lizy komórki.

Pierwszym etapem cyklu lizogennego jest, podobnie jak w cyklu litycznym, wniknięcie materiału genetycznego wirusa do komórki gospodarza. Następnie wirusowy DNA integruje do genomu gospodarza. W przypadku wirusów, których materiałem genetycznym jest RNA, RNA musi najpierw zostać przepisane na DNA w procesie odwrotnej transkrypcji. Wirus w genomie gospodarza nazywany jest prowirusem, w przypadku bakteriofagów mówi się o profagu. Materiał genetyczny wirusa jest namnażany podczas replikacji genomu komórki i przekazywany do komórek potomnych. W pewnych sytuacjach (np. podczas warunków stresowych) profag może zostać wycięty z genomu gospodarza i wejść w cykl lityczny.

16. hodowla wirusów.

1. Metody izolacji i namnażania wirusów.

Wirusy nie replikują poza komórką żywą, zatem hodowla wirusów odbywa się in vivo w komórkach organizmów żywych lub in vitro poprzez namnażanie cząstek wirusa w hodowlach komórkowych albo tkankowych. Metoda namnażania wirusa w zarodkach kurzych. Rozwijające się zarodki ptasie zakażane są w różnych fazach rozwojowych. Dokonuje się zakażenia błony kosmówkowo-omoczniowej, jamy owodni, omoczni lub woreczka żółtkowego. Po określonym czasie inkubacji w odpowiednich warunkach z zakażonego jaja pobiera się płyn lub tkankę i bada na obecność wirusów. Metoda namnażania w hodowlach tkankowych, komórkowych- hodowle mogą pochodzić z tkanek ludzkich lub zwierzęcych świeżo pobranych (hodowle pierwotne), lub z tzw. heteroploidalnych, ustabilizowanych linii komórkowych- pasażowane in vitro wielokrotnie. Komórki zmienione są nowotworowo i namnażają się nieograniczenie. Półciągłe linie komórkowe, diploidalne- zawierają komórki wywodzące się z tkanki płodowej ludzkiej lub zwierzęcej (fibroblasty), o ograniczonym czasie życia do ok. 30–50 pasaży. Komórka pozwalająca na namnożenie wirusa to komórka permisywna, zatem hodowla komórkowa musi być permisywna dla danego wirusa.

17.Priony i wiroidy

Priony białkowe cząsteczki zakaźne, powstają z występujących powszechnie w każdym organizmie i całkowicie niegroźnych białek. Dopiero w sytuacji, gdy zmieniają one swoją naturalną konformację, stają się białkiem prionowym infekcyjnym.

Wiroidy – zakaźne cząstki składające się wyłącznie z kolistego, jednoniciowego RNA. Nie posiadają kapsydu tak jak wirusy, nie są związane z żadnymi białkami. Najczęściej związane są z jądrem "żywiciela". Wszystkie rozpoznane wiroidy wywołują choroby u roślin wyższych. Przenoszone są w uszkodzone wcześniej miejsca, z innej, zainfekowanej rośliny. Sam wiroid (RNA) ulega replikacji dzięki udziałowi enzymów gospodarza

18.metabolizm, anabolizm, katabolizm- wyjaśnić pojęcia i podać przykłady.

Metabolizm – całokształt reakcji chemicznych i związanych z nimi przemian energii zachodzących w żywych komórkach, stanowiący podstawę wszelkich zjawisk biologicznych. Procesy te pozwalają komórce na wzrost i rozmnażania, zarządzanie swoją strukturą wewnętrzną oraz odpowiadanie na bodźce zewnętrzne.

Reakcje chemiczne składające się na metabolizm są zorganizowane w szlaki metaboliczne, w których substraty przekształcane są najczęściej za pomocą enzymów w produkty – metabolity

Katabolizm stanowi grupa reakcji chemicznych, w których następuje rozkład lub utlenianie złożonych związków organicznych do związków prostszych z uwolnieniem energii. Ich wspólnym celem jest dostarczenie energii lub substratów niezbędnych do podtrzymania procesów życiowych organizmu. Szczegółowy charakter tych procesów jest różny dla poszczególnych grup organizmów. Jednak wszystkie te formy metabolizmu mają na celu utworzenie potencjału redoks pozwalającego na przenoszenie elektronów pomiędzy zredukowanymi cząstkami (materią organiczną, amoniakiem, siarkowodorem, jonami żelaza) a akceptorami, na przykład tlenem, azotanami i siarczanami

Anabolizm to grupa procesów metabolicznych, w których energia zużywana jest do syntezy złożonych cząsteczek. Te cząsteczki, budulec wszystkich żywych komórek, są tworzone krok po kroku z prostych związków o stosunkowo niewielkich rozmiarach,np. białka z aminokwasów, celulozy, skrobi i glikogenu –z glukozy, cukrów z dwutlenku węgla i wody.

Można wyróżnić trzy podstawowe etapy anabolizmu: pierwszy obejmuje produkcję aminokwasów, monosacharydów, nukleotydów, czyli podstawowych elementów biomolekuł . W drugim etapie cząsteczki te są aktywowane do form reaktywnych energią pochodzącą z ATP, zaś etap trzeci to łączenie wytworzonych cząsteczek w cząsteczki złożone – białka, polisacharydy, lipidy i kwasy nukleinowe.

19. autotrofia i heterotrofia- wyjaśnić pojęcia i podać przykłady

Autotrofia-sposób odżywiania się organizmów (niektórych bakterii, roślin zielonych i glonów) polegający na pobieraniu ze środowiska związków nieorganicznych i przekształcanie ich w związki organiczne; autotrofizm, samożywność

• Bakterie siarkowe (Thiobacillus, Thiothrix)

• Bakterie nitryfikacyjne (Nitrosomonas, Nitrobacter)

• Bakterie żelaziste (Ferrobacillus)

• Bakterie metanowe (Pseudomonas

Heterotrofia-żywienie się gotowymi związkami organicznymi pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego przez organizmy niezdolne do przeprowadzania fotosyntezy i chemosyntezy; heterotrofizm, cudzożywność

20.Typy procesów oddechowych u bakterii

• Oddychanie tlenowe - ostatecznym biorcą elektronów jest tlen cząsteczkowy

• Oddychanie beztlenowe - ostatecznym biorcą elektronów jest pochodzący z zewnątrz związek organiczny lub utleniony związek nieorganiczny Fermentacja - część cząsteczki substratu oddechowego jest utleniana, a część - odbierająca od niej elektrony - redukowana

1. Oddychanie tlenowe (aerobowe) jest wielostopniowym biochemicznym procesem utleniania związków organicznych związanym z wytwarzaniem energii użytecznej metabolicznie. Oddychanie przebiega w każdej żywej komórce w sposób stały. Zachodzi ono nawet wtedy, gdy inne procesy metaboliczne zostaną zahamowane. Chociaż istnieją różnice w przebiegu procesu oddychania u poszczególnych grup organizmów, to zestaw enzymów katalizujących poszczególne reakcje składające się na oddychanie jest zbliżony u wszystkich organizmów żywych. Energia uwolniona w procesie utleniania związków organicznych pojawia się częściowo w postaci związku wysokoenergetycznego – ATP

C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O => 6CO₂ + 6 H₂O + energia

Podstawowy typ oddychania, przebiegający w normalnych warunkach we wszystkich komórkach żywych organizmów

Zasadnicze etapy oddychania komórkowego u organizmów eukariotycznych przebiegają w mitochondriach

Mitochondria - organelle występujące w cytoplazmie komórek eukariotycznych oddychających tlenowo

Mitochondria zbudowane są z dwóch błon: zewnętrznej i wewnętrznej oraz amorficznej macierzy (matriks) otoczonej wewnętrzną błoną mitochondrialną.

Liczba grzebieni mitochondrialnych (fałdów wewnętrznej błony mitochondrium) odzwierciedla stopień aktywności metabolicznej mitochondrium

Etapy oddychania tlenowego:

1. Glikoliza

przekształcenie glukozy w dwie trójwęglowe cząsteczki pirogronianiu

utworzenie ATP i NADH

2. Tworzenie acetylo-CoA

utlenianie pirogronianu do dwuwęglowej cząsteczki octanu, który łączy się z koenzymem A

uwolnienie CO2 i NADH

3. Cykl kwasu cytrynowego

przemiany acetylo-CoA prowadzące do uwolnienia CO2, ATP, NADH i FADH2

4. Łańcuch oddechowy

utworzenie ATP i wody

1. Oddychanie beztlenowe (anaerobowe)

Niektóre organizmy żywe czerpią energię wyłącznie z beztlenowego rozkładu związków organicznych, czyli fermentacji lub rozkładu związków nieorganicznych, na przykład azotanów lub siarczanów (oddychanie azotowe, siarczanowe). Takie organizmy mogą żyć w środowisku całkowicie pozbawionym tlenu. Przykładem jest żyjąca w ludzkim przewodzie pokarmowym Escherichia coli oddychająca (uzyskująca energię) poprzez redukcję azotanów do azotynów; inna bakteria, z rodzaju Desulfovibrio, redukuje siarczany do siarkowodoru. Wobec tego oddychanie beztlenowe jest spotykane tylko u bakterii, które wykorzystują utlenione związki mineralne jako akceptory elektronów.

Redukcja azotanów (denitryfikacja)

Paracoccus dentrificans:

2 NO₃^2- + 4 H⁺=> 2 NO₂^2- + 2 H₂O

2 NO₂²- + 4 H⁺ =>2 NO + 2 H₂O

2 NO + 2 H+ =>N2O + H₂0

N₂O + 2H⁺ => N₂ + H₂O

Redukcja siarczanów

Desulfovibrio sp.:

SO₄^4- + 8 H⁺ => H₂S + H₂O + 2 OH^2-

Redukcja węglanów i CO₂
Methanobacterium sp. (bakterie metanogenne)

8 H⁺ + CO₂ =>CH₄ + 2 H₂O

Oddychanie beztlenowe występuje u prokariotów, które nie są zdolne do wykorzystywania tlenu jako końcowego akceptora elektronów. Takie organizmy zwane zwane są bezwzględnymi beztlenowcami. Inne mikroorganizmy prokariotyczne mogą wykorzystywać oddychanie beztlenowe , jeśli akurat nie ma tlenu w środowisku. W czasie oddychania beztlenowego powstaje mniej energii. Alternatywnymi akceptorami elektronów mogą być azotany, siarczany czy dwutlenek węgla.

21. rozkład heksoz do stadium pirogronianu.

Heksozy – węglowodany należące do cukrów prostych zawierających sześć atomów węgla w cząsteczce, do najbardziej znanych należą glukoza, fruktoza, galaktoza. Jednym z najważniejszych procesów rozkładu heksoz jest glikoliza, gdzie w wyniku ciągu reakcji jedna cząsteczka glukozy zostaje przekształcona w dwie cząsteczki pirogronianu.

GLIKOLIZA

Proces glikolizy zachodzi z udziałem jedenastu enzymów. Enzymy oraz wszystkie substraty dostarczane SA do cytoplazmy komórki, gdzie proces ten się odbywa. Glikoliza jest przemiana beztlenową lecz może zachodzić również w warunkach tlenowych. Proces ten podzielony jest na dwa etapy.

I etap - dochodzi do ufosforylowania glukozy lub innego cukru będącego substratem glikolizy, np. fruktozy, sacharozy, glikogenu, skrobi. Do procesu tego zużywany jest ATP a produktem reakcji jest aldehyd 3-fosfoglicerynowy.

II etap - wyniku reakcji redukcji i utleniania powstaje kwas pirogronowy. W reakcji tej bierze udział dinukleotyd nikotynamidoadeninowy ( NAD+ ) a powstała energia kumulowana jest w cząsteczkach ATP.

22. Fermentacje (jakie są produkty, rodzaje ze względu na produkt, mikroorganizmy biorące w nich udział)

FERMENTACJA: to niecałkowite utlenianie substratu organicznego w warunkach beztlenowych. Energia jest uzyskiwana w drodze fosforylacji substratowej (reakcja chemiczna, która ma miejsce, gdy reszta fosforanowa zostanie przeniesiona ze związku ufosforylowanego – substratu bezpośrednio na ADP przez enzymy, najczęściej z grupy kinaz. Ten sposób wytwarzania ATP nie wymaga udziału tlenu i zachodzi np. w glikolizie oraz cyklu Krebsa). Wydajność energetyczna fermentacji jest mniejsza od oddychania. Do produktów niecałkowitego utlenienia cukru należą np.: mleczan, etanol, mrówczan.

1. alkoholowa- wywołana przez drożdże właściwe, niektóre gatunki pleśni z rodzaju Mucor. Substraty oddechowe : heksozy, niektóre dwucukry i oligosacharydy.
   Produkty: alkohol(etanol) i CO₂

C₆H₁₂O₆ -> 2C₂H₅OH + 2CO₂ + energia

1. mlekowa- wywołana przez bakterie mlekowe z rodzaju Sreptococcus i Lactobacillus, gdzie produktem jest kwas mlekowy. W przypadku heterofermentacji (powstają różne produkty końcowe których wzajemny stosunek zależy od warunków w jakich odbywa się fermentacja) wydzielany zostaje dodatkowo kwas bursztynowy, octowy, alkohol etylowy,

CO₂. C₆H₁₂O₆ => 2CH₃ • CHOH • COOH + energia

1. masłowa- wywołana przez bakterie z rodzaju Clostridium. Substratem obok cukrów prostych i dwucukrów jest także skrobia, pektyny, celuloza. Podczas heterofermentacji oprócz kwasu masłowego powstaje także : kwas octowy, alkohol etylowy i metan.C₆H₁₂O₆ -> CH₃CH₂CH₂COOH + 2C0₂ + 2H₂ + energia

2. propinowa- rozkład kwasu mlekowego do kwasu propinowego oraz kwasu octowego, CO₂ i wody. Przeprowadzają ją bakterie z rodzaju Propionibacterium.

3CH₃ • CHOH • COOH -> 2CH₃CH₂COOH + CO₂ + H₂O + energia

23. Oddychanie beztlenowe z redukcją związków mineralnych: denitryfikacja, desulfurykacja, redukcja węglanów, oddychanie żelazowe. Przebieg, przykłady i znaczenie w przyrodzie

Oddychanie beztlenowe z redukcją związków mineralnych: denitryfikacja, desulfurykacja, redukcja węglanów, oddychanie żelazowe.

Denitryfikacja. To proces redukcji azotanów do azotu cząsteczkowego. Proces ten prowadzony jest głównie, w warunkach beztlenowych, wtedy to azotany wykorzystywane są w oddychaniu w charakterze terminalnych akceptorów elektronów. W proces denitryfikacji zaangażowane są liczne bakterie heterotroficzne z rodzajów: Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Micrococcus. Redukcja azotanów przebiega w kilku etapach. Faza pierwsza polega na redukcji azotanów do azotynów, następnie azotyny redukowane są do tlenków azotu i azotu cząsteczkowego.

Desulfuryzacja związków organicznych. Rozkład materii organicznej prowadzi do powstawania związków siarki na -2 stopniu utlenienia, tj. siarkowodoru i jego związków (siarczków). W większości są to gazy, czasem szybko wiązane w siarczki metali. Redukcję organicznych związków siarki i siarczanów przeprowadzają niektóre bakterie beztlenowe.

Redukcja węglanów. Węglany też mogą być biorcami elektronów. Ulegają redukcji do metanu. Proces ten wywołują bakterie metanowe, gł. w mułach dennych, zalanych wodą glebach, błotach, gdzie są warunki beztlenowe.

Oddychanie żelazowe Stosunkowo nieliczne bakterie zdolne są do redukcji Fe3+Bakterią, która oddycha w ten sposób, jest Shewanella putrefaciens, utleniająca octan lub mleczan. Energia uwalniana podczas redukcji azotanów, siarczanów i innych związków umożliwia przenoszenie protonów przez błonę komórkową bakterii. Powstały gradient protonowy służy następnie do syntezy ATP w procesie fosforylacji oksydacyjnej.

24. łańcuch oddechowy w oddychaniu tlenowym i beztlenowym

W przypadku oddychania tlenowego na wskutek utleniania biologicznego z utlenionego substratu za pośrednictwem enzymu dehydrogenazy. Przy reakcjach utlenienia substancji organicznych najczęściej dochodzi do oderwania dwóch atomów wodoru od utlenianego związku, co nosi nazwę reakcji odwodorowania. Poszczególne procesy utleniania są tylko składowymi ogólnie pojętej reakcjo oksydoredukcyjnej. Przy utlenienie jednego związku zachodzi jednocześnie redukcja innego, gdyż oderwane od ultenianego związku elektrony są przyłączane do związku podlegającego redukcji. Wielkością określającą zdolność do przyjmowania i oddawania elektronów jest potencjał oksydoredukcyjny. Związek oddający elektrony jest określany jako reduktor, a związek przyjmujący elektrony jest utleniaczem. Jak wcześniej wspomniano enzymem katalizującym oderwanie dwóch elektronów i dwóch protonów wodorowych jest dehydrogenaza, odznaczająca się wysokim stopniem specyficzności, dzięki czemu katalizuje reakcje utlenienia tylko specyficznego dla niej substratu. Oderwane elektrony są przenoszone za pośrednictwem odpowiednich związków określanych przenośnikami elektronowymi na atom tlenu, ulegający w ten sposób redukcji i w postaci cząsteczki wydzielany jest do atmosfery.

W reakcji przeniesienia elektronów i protonów wodorowych na atom tlenu wydziela się duża porcja energii. Dlatego też cały proces transportu elektronów na tlen odbywa się za pośrednictwem związków takich jak koenzymy NAD, FAD oraz szeregu cytochromów, które razem tworzą tzw. łańcuch oddechowy. Na poszczególnych etapach transportu elektronów na cząsteczkę tlenu dochodzi to stopniowego uwalniania energii, która następnie posłuży przy reakcjach syntezy komórkowej. Wydzielana energia magazynowana jest w wysokoenergetycznych i łatwo dostępnych cząsteczkach ATP, które zużywane są trakcie kolejnych przemian. Niewielka ilość energii wydzielana jest w postaci ciepła.

Oddychanie (nie mylić z wymianą gazową!) jest procesem uwalniania energii zawartej w związkach organicznych. Może odbywać się przy pomocy tlenu z wydzielaniem CO2 i wody:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia

W taki sposób oddychają bezwzględne tlenowce (aeroby), które żyją tylko w obecności tego pierwiastka. Względne beztlenowce (anaeroby) są w stanie istnieć w przy niewielkich stężeniach tlenu, jednak energie czerpią z oddychania beztlenowego poprzez proces fermentacji bądź redukcji.

25. Fotosynteza oksygenowa – przebieg procesu.

Fotosynteza u sinic i roślin zielonych. Ciąg dwóch kolejnych reakcji świetlnych umożliwia aktywację elektronów w pierwszej reakcji do poziomu wystarczającego do redukcji ferredoksyny i NADP. Druga reakcja świetlna pozwala następnie na wykorzystanie wody jako źródła elektronów. Reakcje świetlne mają charakter pompy protonowej napędzanej światłem (ładunek dodatni wewnątrz tylakoidu) i prowadzą do wytworzenia gradientu protonów. Potencjał protonowy powoduje powstanie ATP. Poza uzyskiwaniem energii, układ ten umożliwia również wydzielanie tlenu.

Fotosynteza przebiega w centrach reakcji i kompleksach anten znajdujących się w błonach tylakoidowych chloroplastów. Kompleksy anten są zbudowane z kilkuset cząsteczek chlorofilu i pigmentów dodatkowych. Pigmenty anten zbierają światło (energię) i przekazują ją chlorofilowi znajdującemu się w centrum reakcji.

W fotosyntezie oksygenowej występują szeregowo dwa systemy pigmentów (fotosystem I i fotosystem II). Fotochemiczne centrum reakcyjne systemu I zawiera chlorofil, który jest pierwszym donorem elektronów w pierwszych fotoreakcjach. Chlorofil ten jest aktywowany przez energię świetlną absorbowaną przez pigmenty anten systemu I. Aktywacja ta powoduje, związane z funkcją elektronu, utlenienie chlorofilu. Inaczej mówiąc, emisja elektronu przez centrum reakcyjne powoduje jego deficyt. Deficyt ten jest natychmiast wyrównywany przez inny elektron, dostarczany za pośrednictwem łańcucha transportu elektronów.

Centrum reakcyjne fotosystemu II zawiera chlorofil, który jest pierwotnym donorem elektronów w drugiej fotoreakcji. Chlorofil ten ulega wzbudzeniu przez energię absorbowaną przez pigmenty anten fotosystemu II. Aktywacja chlorofilu powoduje emisję elektronu. Przekazany elektron jest słabo redukujący. Donorem elektronu dla fotosystemu II jest woda. Deficyt elektronu w chlorofilu jest uzupełniany przez elektron uwolniony z wody podczas tworzenia tlenu cząsteczkowego.

Obydwa fotosystemy pigmentów są połączone łańcuchem transportu elektronów i współpracują ze sobą.

26. Fotosynteza anoksygenowa – przebieg procesu i bakterie fotosyntetyzujące.

Bakterie fotosyntetyzujące zawierają bakteriochlorofile a i b. U zielonych bakterii siarkowych i niesiarkowych barwniki te znajdują się w woreczkowatych uwypukleniach błony cytoplazmatycznej, zwanych chlorosomami, natomiast u bakterii purpurowych – w pęcherzykach występujących w cytoplazmie. Fotosynteza bakteryjna jest anoksygenowa (nie powstaje w niej tlen), wykorzystuje fotosystem I i zachodzi w niej fosforylacja cykliczna. Nie ma zmiany netto w liczbie elektronów w systemie. Wytwarzanie ATP zachodzi w czasie fotosyntezy w wyniku utworzenia siły protonomotorycznej. Elektrony wyrzucone z centrum reakcji wracają na bakterio chlorofil poprzez łańcuch transportu elektronów. Do syntezy NADPH bakterie muszą wykorzystywać donory elektronów, takie jak wodór, siarkowodór, siarka i inne związki organiczne, o bardziej ujemnym potencjale redukcyjnym niż woda. Do redukcji NADP+ (w NADPH) musi zostać wykorzystany ATP, wytworzony w reakcjach jasnych. Proces ten zwany jest zależnym od energii odwróconym transportem elektronów.

27. Porównaj fotosyntezę oksygenową i anoksygenową.

Fotosynteza. Fotosynteza przetwarza światło w energię chemiczną. Pierwotne działanie światła polega na transferze elektronów w fotochemicznych centrach reakcyjnych od donora do akceptora, przeciwnie do gradientu termodynamicznego. Przynajmniej niektóre z tych elektronów powracają do centrum reakcyjnego poprzez łańcuch transportu elektronów. Na skutek odpowiedniego rozmieszczenia składowych tego łańcucha w błonie prowadzi to do translokacji protonów i powstania gradientu protonów przez błonę. Aparat fotosyntetyczny można więc uważać przede wszystkim za „napędzaną światłem pompę protonową”. Potencjał protonowy jest niezbędny do przekształcenia energii w drodze fosforylacji. Jeśli chodzi o zamianę energii świetlnej w energię wykorzystywaną w procesach biochemicznych (ATP), to w zasadzie nie ma większych różnic między fotosyntezą bakterii fototropicznych i roślin zielonych. Podstawowymi procesami fotosyntezy są fotoreakcje.

Fotosynteza może być procesem oksygenowym, jeśli powstaje w niej tlen w wyniku fotolizy wody (jak to ma miejsce u sinic i glonów) lub anoksygenowa (bez wydzielania tlenu), jak u bakterii zielonych i purpurowych. Oksygenowa fotosynteza różni się od anoksygenowej rodzajem wykorzystywanych donorów wodoru. Do wykorzystania wody jako donora wodoru niezbędne są dwie następujące po sobie fotoreakcje, podczas gdy do wykorzystania donorów wodoru o bardziej ujemnym potencjale oksydoredukcyjnym niż woda (siarkowodór lub substancje organiczne) wystarczy jedna taka reakcja.

28. Charakterystyka purpurowych bakterii fotosyntetyzujących.

Zdolność wykorzystywania światła jako źródła energii do wzrostu posiadają dwie grupy bakterii. Obydwie grupy zasadniczo różnią się między sobą. Jedna grupa to bakterie purpurowe i zielone. Bakterie te to typowo wodne organizmy, szeroko występujące w wodach słodkich i słonych. Są jednokomórkowcami o czerwonej, pomarańczowej lub zielonej barwie, zależnie od zawartości bakteriochlorofilu i karotenoidów. Druga grupa to sinice.

Bakterie przeprowadzające fotosyntezę anoksygenową podzielono na trzy duże grupy: purpurowe bakterie siarkowe, purpurowe bakterie bezsiarkowe i zielone bakterie siarkowe. Przedstawiciele tych trzech grup różnią się właściwościami cytologicznymi i fizjologicznymi, jak również pigmentacją.

Wszystkich przedstawicieli bakterii purpurowych cechuje to samo umiejscowienie całego aparatu fotosyntetycznego na błonach wewnątrzkomórkowych (tylakoidach) które są wpukleniami błony cytoplazmatycznej. Do bakterii purpurowych należą dwie rodziny, różniące się zdolnością wykorzystywania związków siarki jako donora wodoru; są to purpurowe bakterie siarkowe (Chromatiaceae) i purpurowe bakterie bezsiarkowe (Rhodospirillaceae).

Chromatiaceae. Większość purpurowych bakterii siarkowych można łatwo rozpoznać, gdyż ich komórki zawierają globule siarki silnie załamujące światło. Chromatium okenii (5 μm średnicy i 20 μm długości) i Thiospirillum jenense (3,5 μm średnicy i 50 μm długości) należą do olbrzymów wśród bakterii. Większe chromania mają kształt fasolowaty, podczas gdy mniejsze są krótkimi pałeczkami. Typową cechą Chromatiaceae jest przejściowe wewnątrzkomórkowe odkładanie siarki podczas utleniania siarkowodoru. Przedstawiciele Ectothiorhodospira akumulują siarkę na zewnątrz komórki, gdzie zachodzi też dalsze jej utlenianie.

Charakterystyka purpurowych bakterii bezsiarkowych.

Rhodospirillaceae. Wyróżnia się purpurowe bakterie bezsiarkowe o kształcie spiralnym, pałeczkowatym, zakrzywionych pałeczek i zbliżonym do kulistego. Dwa gatunki spośród tych bakterii, Rhodomicrobium vannielii i Rhodocyclus purpureus, wyróżniają się szczególnie. Rhodomicrobium vannielii rozmnaża się przez pączkowanie. Pączki pozostają połączone z komórką macierzystą przez łodyżki podobne do strzępek lub uwalniają się w postaci perytrychalnie urzęsionych ruchliwych komórek. Rhodocyclus purpureus jest jedyną nieruchliwą formą należącą do tej rodziny. Jego komórki są półokrągłe. Błona fotosyntetyzująca najprawdopodobniej jest taka sama, jak błona cytoplazmatyczna, lecz jest silnie pofałdowana. Wzrost większości purpurowych bakterii bezsiarkowych jest hamowany przez siarkowodór, choć niektóre gatunki tolerują ten związek lub nawet wykorzystują go jako donor wodoru do wiązania dwutlenku węgla.

29. Charakterystyka zielonych bakterii siarkowych.

Przedstawiciele zielonych bakterii siarkowych charakteryzują się tym, że w bezpośrednim sąsiedztwie błony cytoplazmatycznej mają organelle zawierające pigmenty (barwniki). Organelle te to tzw. chlorosomy, znane też jako pęcherzyki Chlorobium. Zawierają one bakteriochlorofil charakterystyczny dla tej grupy, tj. bakterio chlorofil c, d lub e, czyli pigment anten. Poza tym bakterie te zawierają również niewielkie ilości bakteriochlorofilu a, który jest bezpośrednio związany z fotosyntetycznym centrum reakcyjnym i znajduje się w błonie cytoplazmatycznej. Zielone bakterie siarkowe różnią się od bakterii purpurowych brakiem enzymu karboksylazy rybulozobisfosforanowej, nie wiążą zatem dwutlenku węgla w cyklu rybulozobisfosforanowym. Wyróżnia się dwie rodziny zielonych bakterii siarkowych – gramujemne Chlorobiaceae i gram dodatnie Chloroflexaceae.

Chlorobiaceae. Zielone bakterie siarkowe obejmują szczepy o zielonym lub brązowym zabarwieniu, tworzą skupiska przypominające gwiazdę lub sieć.

Charakterystyka zielonych bakterii bezsiarkowych.

Chloroflexaceae. Fototropiczna zielona bakteria Chloroflexus, ze względu na kształt i rodzaj ruchu zalicza się do bakterii nitkowatych o ruchu ślizgowym. Zawiera jednak bakteriochlorofil c i a oraz chlorosomy podobne do chlorosomów gatunku Chlorobium. Z drugiej strony różni się od tych gatunków zdolnością do tlenowego, heterotroficznego wzrostu na złożonych podłożach zarówno w ciemności jak i na świetle. W przeciwieństwie do Chlorobiaceae, fotoautotroficzny wzrost z wykorzystaniem CO₂ i H₂S jest u tej bakterii prawie niedostrzegalny.

30. Charakterystyka Halobacterium halobium.

Gatunki zaliczane do rodzaju Halobacterium (H. halobium, H. cutirubrum) pod względem fizjologii tworzą bardzo wyspecjalizowaną grupę. Występują one w bardzo stężonych lub wręcz nasyconych roztworach soli. Organizmy te są doskonale przystosowane do ekstremalnych warunków, ponieważ stężenie soli w komórkach jest zbliżone do jej stężenia w środowisku. Ta grupa prokariotów należy do archeonów.

Ruchliwe, pałeczkowate komórki H. halobium z powodu zawartości karotenoidów są zabarwione na czerwono, pomarańczowo lub żółto. Ich błona cytoplazmatyczna ma ciemnoczerwone plamki o średnicy około 0,5 μm, zajmujące około połowy całej powierzchni komórki. Te barwne plamki stanowią tzw. błonę purpurową. Ich zabarwieni wynika z obecności bakterio rodopsyny, która przypomina rodopsynę, w komórkach wzrokowych zwierząt. Pigment ten podczas naświetlenia komórki wytwarza gradient protonów między wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią błony. Błona purpurowa pełni zatem funkcję „napędzanej światłem pompy protonowej” tworzącej elektrochemiczny potencjał błonowy. Powstaniu potencjału może towarzyszyć generacja ATP. Błona purpurowa prowadzi więc swoisty rodzaj fotofosforylacji. Uzyskiwana w ten sposób na świetle energia uzupełnia energię otrzymywaną z tlenowego utleniania substratów.

31. Fotosynteza bakteryjna – znaczenie w przyrodzie.

Fotosynteza jest jednym z podstawowych procesów biologicznych. Warunkuje ona istnienie absolutnej większości organizmów żywych na Ziemi. Dzięki reakcjom fotosyntezy możliwa jest przemiana materii nieorganicznej (CO₂) w organiczną stanowiącą źródło energii dla organizmów heterotroficznych.

W procesie fotosyntezy zostaje rozkładany dwutlenek węgla tworzący się podczas oddychania i spalania. Gdyby nie fotosynteza stężenie CO₂ stale by wzrastało.

32. Chemosynteza – definicja, etapy procesu i przykłady.

Chemosynteza. Proces przyswajania CO₂ z atmosfery, analogiczny do fotosyntezy, lecz zachodzący nie przy udziale światła, ale dzięki energii chemicznej uzyskiwanej z utleniania prostych substancji nieorganicznych (wodór, siarkowodór, amoniak, sole żelaza(II), metan).

Chemosyntezę przeprowadzają niektóre gatunki bakterii tzw. chemoautotrofy. Proces chemosyntezy odgrywa ważną rolę w obiegu pierwiastków w przyrodzie.

Chemosyntezę można podzielić na dwa etapy:

1. Utlenianie związku chemicznego (odpowiednik fazy jasnej fotosyntezy, w którym dany organizm wytwarza energię użyteczną biologicznie (ATP);

2. Związanie CO₂ i produkcja glukozy (na tej samej zasadzie co faza ciemna fotosyntezy).

Bakterie chemosyntetyzujące podzielono na:

* bakterie nitryfikacyjne: bakterie z rodzaju Nitrosomonas (wykorzystują utlenianie amoniaku do azotynów - soli kwasu azotowego(III)); bakterie z rodzaju Nitrobacter (wykorzystują utlenianie azotynów do azotanów - soli kwasu azotowego(V));

* siarkowe: bakterie z rodzaju Beggiatoa (utleniają siarkowodór do czystej siarki), bakterie z rodzaju Thiotrix (utleniają czystą siarkę do kwasu siarkowego(VI));

* wodorowe: bakterie z rodzaju Hydrogenomonas (utleniają wodór do wody);

* żelaziste: bakterie z rodzaju Ferrobacillus (utleniają sole żelaza(II) do soli żelaza(III));

* tlenkowęglowe: bakterie utleniające tlenek węgla (CO) do dwutlenku węgla (CO2);

* bakterie metanowe: bakterie utleniające metan do dwutlenku węgla.

33. Chemosynteza – znaczenie w przyrodzie.

Chemosynteza ma marginalny udział w produkcji biomasy i tlenu, przynosi jednak zupełnie inne korzyści. Organizmy chemosyntetyzujące spotykamy w glebie, gdzie utleniając związki mineralne wpływają na lepsze ich przyswajanie i wykorzystanie przez rośliny. Proces ten ma więc znaczenie w obiegu materii w przyrodzie.

34. Chemosynteza siarkowa i żelazowa – przebieg procesu i mikroorganizmy.
Siarkowe bakterie, grupa mikroorganizmów autotroficznych, które czerpią energię potrzebną do syntezy związków organicznych (asymilacji dwutlenku węgla) z utleniania różnych związków siarki, np. siarkowodoru:

2H₂S + O₂ = 2H₂O + S₂ + energia.

Powstająca wolna siarka jest wydzielana na zewnątrz lub gromadzi się wewnątrz komórek.

Do tej grupy zalicza się także sinicę Beggiatoa, która ma zdolność utleniania siarki do kwasu siarkowego (gdy w podłożu zostanie wyczerpany siarkowodór):

S₂ + 3O₂ + 2H₂O = 2H₂SO₄ + energia.

Występowanie. W osadach dennych bajor, dużych kałuż lub w wolno płynących wodach, w których powstaje siarkowodór, występują bakterie siarkowe Beggiatoa, Thiotrix i Thiobacillus.

Bakterie żelazowe utleniają żelazo (II) do żelaza (III):.

4 Fe²⁺ + 4H⁺ + O₂ → 4Fe³⁺ + 2H₂O.

Występowanie. Bakterie Thiobacillus występują w kwaśnych wodach kopalni rud żelaza, które zawierają siarczki metali oraz piryt (FeS₂). Galionella i Ferrobacillus występują w naciekach z tlenków żelaza w rurach odpływowych oraz w strumykach górskich.

35. Nitryfikacja – przebieg procesu i bakterie nitryfikacyjne.

Nitryfikacja to proces biologicznego utleniania amoniaku do azotanów zachodzący przy udziale bakterii nitryfikacyjnych. W reakcji utleniania zawsze uczestniczą dwa rodzaje bakterii: utleniające amon wytwarzają azotyn, a utleniające azotyn produkują azotan. Do najlepiej poznanych należą Nitrosomonas i Nitrobacter. Organizmy utleniające amon (Nitrosomonas) dostarczają substrat dla organizmów utleniających azotyn oraz korzystnie zmieniają środowisko dla bakterii utleniających azotyn (Nitrobacter), gdyż wykorzystując amon równocześnie zwiększają kwasowość (wymieniając kation na anion).

Proces przebiega dwuetapowo. Najpierw amoniak jest utleniany do kwasu azotowego (III) według reakcji:

2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H₂O + energia.

Następnie kwas azotowy (III) ulega utlenieniu do kwasu azotowego (V) w reakcji:

2HNO2 + O2 2HNO3 + energia.

36. Na czym polega reakcja anamoks i jakie mikroorganizmy ją przeprowadzają?

Reakcja ta jest specyficznym rodzajem nitryfikacji, czyli utleniania amoniaku, ale dokonuje się nie za pomocą O2, lecz NO²:

NH⁴⁺ + NO^2- → N₂ + 2H₂O

Zachodzi ona w warunkach beztlenowych (klasyczna nitryfikacja jest procesem tlenowym) i prowadzi do wydzielania N2. Nazwa tej reakcji jest akronimem utworzonym z ang. anaerobic ammonia oxidation, czyli „beztlenowe utlenianie amoniaku”. Bakterie przeprowadzające reakcję anamoks są bezwzględnymi beztlenowcami i chemolitoautotrofami, ale nie są jeszcze dokładniej poznane (wiele z nich nie ma jeszcze oficjalnej nazwy gatunkowej).

37. Sposoby rozmnażania drożdży i form drożdżoidalnych

Drożdże są grzybami jednokomórkowymi i występują dziko w miejscach o dużym nagromadzeniu węglowodanów: w sokach wydzielanych przez rośliny (np. po zranieniu lub jako nektar w kwiatach), na owocach, a także w glebie czy na odchodach zwierzęcych. Niektóre powodują choroby u człowieka, zwane drożdżycami (ogólnie mikozami), a wywołane np. przez Candida sp. – kandydozami. Candida albicans wywołuje tzw. pleśniawki, zmiany w błonie śluzowej jamy ustnej w postaci charakterystycznych białych plamek. Drożdże w szerokim znaczeniu obejmują zarówno drożdże właściwe, jak i grzyby drożdżopodobne. Drożdże właściwe należą do workowców, ponieważ wytwarzają zarodnie workowe (worki), a w nich zarodniki workowe (askospory) w procesie rozmnażania płciowego. Należą tu powszechnie znane drożdże piekarnicze Saccharomyces cerevisiae. Natomiast grzyby drożdżopodobne (drożdżoidalne, drożdże bezworkowe) nie rozmnażają się płciowo, a więc nie wytwarzają worków i są zaliczane do prowizorycznego taksonu tzw. grzybów niedoskonałych, grupujących grzyby, które zatraciły zdolność do wytwarzania ogranów rozmnażania płciowego. Należą tu np. gatunki z rodzaju Candida i Rhodotorula.

Drożdże, zarówno workowe, jak i bezworkowe, cechuje charakterystyczny sposób rozmnażania bezpłciowego w postaci tzw. pączkowania. Polega ono na tym, że w pewnym miejscu komórka tworzy rosnące stopniowo uwypuklenie, do którego przechodzi jedno z powstałych po podziale jąder potomnych. Następnie wytwarza się ściana komórkowa oddzielająca komórkę potomną od macierzystej. U drożdży piekarniczych powstałe komórki są jednakowej wielkości i oddzielają się od siebie. Po oddzieleniu, na obu komórkach (potomnej i macierzystej) pozostaje trwała blizna. W miejscu starej blizny komórka nie może utworzyć nowego pączka, a więc liczba blizn świadczy zarówno o wieku komórki, jak i o jej zdolności do rozmnażania. U grzybów drożdżoidalnych komórki często nie rozdzielają się po pączkowaniu i wydłużają tworząc tzw. pseudogrzybnię w postaci rozgałęziających się łańcuszków, gron lub krzaczków. Pseudogrzybnia (pseudomycelium) to wydłużone, nitkowate struktury, często rozgałęziające się, utworzone wyłącznie przez komórki pączkujące. Struktura ta przypomina prawdziwą grzybnię (mycelium). Ta jednak utworzona jest przez komórki dzielące się, a nie pączkujące i jest charakterystyczna dla grzybów pleśniowych.

Chociaż zdolność do pączkowania jest cechą charakterystyczną większości drożdży, to nie jest to cecha wyłącznie tej grupy grzybów (zdolność do pączkowania mają też np. niektóre podstawczaki). Niektóre drożdże nie pączkują, lecz rozmnażają się bezpłciowo przez zwykły podział komórki. Są to tzw. drożdże rozszczepkowe.

Drożdże mogą również rozmnażać się przez zarodniki, czyli spory. Oprócz wspomnianych zarodników workowych, czyli askospor (wytwarzanych tylko przez drożdże właściwe w procesie płciowym), drożdże wytwarzają też zarodniki na drodze bezpłciowej. Mogą to być blastospory, które powstają w wyniku pączkowania (charakterystyczne np. dla Candida sp.) lub chlamydospory, czyli zarodniki przetrwalnikowe, charakteryzujące się grubą ścianą.

Drugą grupą grzybów mikroskopowych są pleśnie. Jest to popularna nazwa określająca grzyby tworzące grzybnię zbudowaną z luźno skupionych strzępek, tzw. grzybnię powietrzną. Grzybnia ta tworzy charakterystyczne watowate skupienia o różnorodnym zabarwieniu (zielonym, zielononiebieskim, żółtym, różowym, białym lub czarnym). Wytwarza ona zarodniki i wyrasta z tzw. grzybni wegetatywnej, wrośniętej w podłoże, z którego pobiera substancje odżywcze. Podobnie jak drożdże, pleśnie również nie stanowią grupy jednorodnej systematycznie. Należą tu bowiem zarówno przedstawiciele grzybów niższych - sprzężniaki z rzędu pleśniakowców (pleśniak i rozłożek), jak i grzyby wyższe - workowce właściwe (kropidlak, pędzlak). Pleśnie rozmnażają się za pomocą zarodników.

Sprzężniaki z rzędu pleśniakowców, jak pleśniak biały (Mucor mucedo), czy rozłożek czerniejący (Rhizopus nigricans) wytwarzają grzybnię nie podzieloną ścianami poprzecznymi (septami) na poszczególne komórki. Są więc komórczakami – tworzą jedną dużą wielojądrową komórkę. Wytwarzają one (bezpłciowo i na drodze płciowej) zarodniki wewnątrz kulistych zarodni (sporangiów) osadzonych na trzonkach zarodnionośnych (sporangioforach). Pleśnie te wytwarzają więc zarodniki wewnętrzne.

Pleśnie należące do workowców, a więc kropidlaki (Aspergillus spp.) i pędzlaki (Penicillium spp.) tworzą grzybnie wielokomórkowe, a więc podzielone ścianami poprzecznymi i wytwarzają tzw. zarodniki konidialne (konidiospory), czyli konidia. Konidia to zarodniki tworzone zewnętrznie, tj. przez odcięcie końcowej (górnej) części specjalnej, pionowo wzniesionej strzępki, zwanej strzępką konidionośną albo konidioforem

38. morfologia i rozmnażanie grzybów pleśniowych.

Pleśnie. Jest to popularna nazwa określająca grzyby tworzące grzybnię zbudowaną z luźno skupionych strzępek, tzw. grzybnię powietrzną. Grzybnia ta tworzy charakterystyczne watowate skupienia o różnorodnym zabarwieniu (zielonym, zielononiebieskim, żółtym, różowym, białym lub czarnym). Wytwarza ona zarodniki i wyrasta z tzw. grzybni wegetatywnej, wrośniętej w podłoże, z którego pobiera substancje odżywcze. Podobnie jak drożdże, pleśnie również nie stanowią grupy jednorodnej systematycznie. Należą tu bowiem zarówno przedstawiciele grzybów niższych - sprzężniaki z rzędu pleśniakowców (pleśniak i rozłożek), jak i grzyby wyższe - workowce właściwe (kropidlak, pędzlak). Pleśnie rozmnażają się za pomocą zarodników.

MORFOLOGIA PLEŚNI. Pleśnie są zbudowane ze strzępek - rurkowatych komórek o średnicy 5 - 10µm, często bardzo rozgałęzionych. Strzępki osiągają długość dochodzącą do wielu centymetrów, a czasami nawet wielu metrów - tworzą wówczas grzybnię. Struktura grzybni może być różna w zależności od gatunku, warunków wzrostu, obecności substancji pokarmowych w podłożu i innych czynników.

Grzybnie bardziej prymitywnych grzybów, nawet bardzo rozgałęzionych, stanowią jedną komórkę, w której znajduje się zwykle wiele jąder - jest to grzybnia jednokomórkowa (cenocetryczna) lub też nazywa się ją komórczakiem.

U grzybów wyżej zorganizowanych strzępki grzybni są podzielone poprzecznymi ścianami (septami) na wiele komórek, z których każda posiada swoje jedno lub wiele jąder (grzybnia wielokomórkowa). Septy tworzą się w określonych odstępach, zależnie od rodzaju oraz warunków środowiskowych. Nadają one strzępkom większą sztywność, a także może przepływać przez nie cytoplazma czy jądra sąsiadujących komórek.

Wyróżnia się dwa typy grzybni: Grzybnia wgłębna rozwija się zarówno na powierzchni, jak i w głębi pożywki, a jej funkcją jest pobieranie składników pokarmowych i przytwierdzanie się do podłoża. W jej skład wchodzą więc struktury ułatwiające jej te funkcje i do nich przystosowane np. rizoidy (chwytniki). Strzępki wyrastające ponad powierzchnią podłoża nazywa się strzępkami powietrznymi, a ich masę grzybnią powietrzną. Strzępki powietrzne licznych rodzajów grzybów wykazują szczególnie duże zróżnicowanie form i służą do rozmnażania zarówno bezpłciowego jak i płciowego.

Sprzężniaki z rzędu pleśniakowców, jak pleśniak biały, czy rozłożek czerniejący wytwarzają grzybnię nie podzieloną ścianami poprzecznymi (septami) na poszczególne komórki. Są więc komórczakami – tworzą jedną dużą wielojądrową komórkę. Wytwarzają one (bezpłciowo i na drodze płciowej) zarodniki wewnątrz kulistych zarodni (sporangiów) osadzonych na trzonkach zarodnionośnych (sporangioforach). Pleśnie te wytwarzają więc zarodniki wewnętrzne.

Pleśnie należące do workowców, a więc kropidlaki (Aspergillus spp.) i pędzlaki (Penicillium spp.) tworzą grzybnie wielokomórkowe, a więc podzielone ścianami poprzecznymi i wytwarzają tzw. zarodniki konidialne (konidiospory), czyli konidia. Konidia to zarodniki tworzone zewnętrznie, tj. przez odcięcie końcowej (górnej) części specjalnej, pionowo wzniesionej strzępki, zwanej strzępką konidionośną albo konidioforem.

39. Cykl rozwojowy Chlamydia pneumoniae, Bdellovibrio sp. i bakterii śluzowych.
Chlamydia pneumoniae. Chlamydie są patogenami ludzi. Na podstawie cech biochemicznych zalicza się je do prokariotów (bakterie). Wcześniej uważano, że są one wirusami. Mikroorganizmy te zawierają RNA i DNA w proporcji charakterystycznej d;a bakterii. Syntetyzują związki, których nie potrafią syntetyzować komórki eukariotyczne, takie jak kwas muraminowy, kwas diaminopimelinowy i kwas foliowy. Chlamydie rosną wyłącznie w żywych komórkach, można je budować na jajach kurzych i w hodowlach tkankowych. Ich zależność od metabolizmu gospodarza wynika z braku własnego systemu wytwarzającego ATP. Są niezdolne do fosforylowania glukozy i metabolizowania jej. Z drugiej strony, niezwykle łatwo pobierają ATP i koenzym A. Można je zatem uważać za „pasożyty energetyczne”.

Cykl rozwojowy Chlamydophila pneumoniae. Chlamydophila pneumoniae wywołuje zakażenia wyłącznie u ludzi. Nie stwierdzono dotąd zwierzęcych rezerwuarów tego zarazka. W warunkach naturalnych zakażenie przenosi się z człowieka na człowieka drogą kropelkową. Formami zakażającymi są ciałka elementarne. Niewielkie rozmiary ciałek elementarnych (ich średnica waha się pomiędzy 0,2 a 0,5 μm) oraz zdolność przylegania do powierzchni komórek docelowych ułatwiają penetrację do wnętrza komórek, która następuje przez endocytozę. Nieznane mechanizmy hamują fuzję lizosomu z pęcherzykiem zawierającym ciałko elementarne. W jego wnętrzu ciałka elementarne przekształcają się w większe ciałka retikulocytarne (siateczkowate), przechodzą wielokrotne podziały i dają początek nowym ciałkom elementarnym. Wydostają się one do przestrzeni pozakomórkowej, czemu najczęściej towarzyszy śmierć zakażonej komórki. Uwolnione ciałka elementarne mogą zakażać kolejne komórki, ale także przedostawać się do wnętrza innych, jak np. monocyty krwi obwodowej. Te ostatnie stanowią dla drobnoustrojów rodzaj układu transportującego, umożliwiającego penetrację do innych narządów. Uważa się, że lokalizacja wewnątrz monocytów ułatwia przenikanie chlamydii do ośrodkowego układu nerwowego. Charakterystyczną cechą gatunku C. pneumoniae jest zdolność mnożenia się w różnych rodzajach komórek. W niektórych przypadkach ciałka elementarne mogą we wnętrzu komórki przekształcać się w znacznie od nich większe ciałka przetrwałe. Te ostatnie cechują się zdolnością długotrwałego przebywania w komórce gospodarza i prawdopodobnie są odpowiedzialne za przypadki zakażeń przewlekłych.

Cykl rozwojowy Bdellovibrio bacteriovorus. Jest tlenowym mikroorganizmem pasożytującym na innych bakteriach. Są to niewielkie komórki, bardzo ruchliwe dzięki grubej rzęsce. Napotkawszy na odpowiednią bakterię żywiciela pasożyt ten przywiera nieurzęsionym biegunem do jej ściany komórkowej i obraca się wokół swej osi podłużnej. Wkrótce potem zaatakowana komórka przekształca się w formę kulistą, podobną do sferoplastu. Bdellovibrio penetruje jej ścianę komórkową i umiejscawia się w przestrzeni peryplazmatycznej. Komórka Bdellovibrio rośnie i wydłuża się, aż do chwili, kiedy zostaną wyczerpane związki pokarmowe ze stopniowo malejącego protoplastu żywiciela. Forma cylindryczna dzieli się wielokrotnie, dając komórki o jednakowych rozmiarach. W końcu ściana komórkowa gospodarza ulega lizie i do podłoża zostaje uwolnione potomstwo pasożyta gotowe do zaatakowania następnych bakterii.

Cykl rozwojowy bakterii śluzowych. Bakterie śluzowe to ścisłe tlenowce chemoheterotroficzne, zdolne do ruchu pełzającego. Gdy namnoży się ich więcej, zaczynają tworzyć agregaty, w których stopniowo komórki zaczynają różnicować – tworzy się ciało owocowe: składające się ze śluzowej nóżki (trzonka) i z cyst. Cysty w czasie kiełkowania uwalniają mikrospory, które rozwijają się w komórki wegetatywne - i tak zamyka się całkiem skomplikowany cykl rozwojowy.

40. Formy L u bakterii i formy pleomorficzne.

Niektóre bakterie wykazują tzw. pleomorfizm (wielopostaciowość) przybierając różne formy morfologiczne. Np. pospolite bakterie glebowe z rodzaju Arthrobacter w zależności od ilości składników pokarmowych w podłożu, mają albo postać pałeczek (gdy jest dużo pokarmu) albo ziarniaków (w warunkach głodowych). Dlatego formy te określa się mianem ziarniakopałeczek. Pleomorfizm można też wywołać sztucznie, np. działając penicyliną, która zaburza syntezę ściany komórkowej. Powstają wówczas komórki o zniekształconym, wydłużonym i często rozgałęzionym kształcie, tzw. formy L. Po zaprzestaniu działania czynnika szkodliwego, komórki wracają do swojej naturalnej postaci.

41. Podział komórki bakteryjnej i wzrost populacji bakterii w czasie.

Komórki bakteryjne rozmnażają się przez podział. Najpierw rozmiar komórki podwaja się, a następnie komórka dzieli się na dwie komórki potomne, które mają w przybliżeniu ten sam rozmiar co pierwotna komórka macierzysta. Czas niezbędny do podwojenia liczby komórek nazywa się czasem generacji, a czas potrzebny do podwojenia masy komórkowej określa się jako czas podwojenia.

42. Hodowla okresowa – charakterystyka ogólna.

Bakterie wprowadzone do płynnej pożywki, a następnie inkubowane w odpowiednich warunkach będą się dzieliły do momentu, gdy którykolwiek z niezbędnych składników zostanie wyczerpany i stanie się czynnikiem limitującym dalszy wzrost. Jeżeli w ciągu tego czasu nie będą dodawane żadne składniki odżywcze ani nie będą usuwane szkodliwe produkty metabolizmu, powstaje układ zamknięty, w którym wzrost mikroorganizmów nazywa się hodowlą okresową (lub statyczną). Składa się z fazy zastoju, fazy wzrostu logarytmicznego, fazy stacjonarnej i fazy zamierania.

43. Scharakteryzuj fazę zastoju hodowli okresowej.

W fazie zastoju w zaszczepionych komórkach (inokulum) zachodzą procesy adaptacji polegające na syntezie potrzebnych enzymów, replikacji DNA, syntezie białek i w efekcie komórki zwiększają swoje rozmiary. Długość tej fazy zależy od podobieństwa warunków hodowli poprzedniej (z której pochodzi inokulum) do warunków panujących w nowej hodowli. Im jest ono większe, tym faza jest krótsza.

44. Scharakteryzuj fazę wzrostu logarytmicznego.

W fazie wzrostu logarytmicznego komórki zaczynają się dzielić. Sygnałem do podziałów jest osiągnięcie przez komórki odpowiedniej długości. Każda komórka dzieli się na dwie. Po określonym czasie wzrostu powstałe komórki znowu dzielą się na dwie, stąd liczbę powstałych komórek (czyli wzrost populacji) określa wzór 2ⁿ, gdzie n to liczba podziałów, która jest równoznaczna z liczbą pokoleń. Czas między dwoma kolejnymi podziałami, to tzw. czas generacji lub wiek osobniczy. Zależy on od warunków hodowli i od cech gatunkowych drobnoustroju. W konkretnej hodowli jest on więc stały. Jeśli liczba komórek w inokulum wynosi N₀, to powstała liczba komórek N po n pokoleniach wyniesie N = N₀ x 2ⁿ. Liczba bakterii podwaja się co każdy okres generacji, rośnie więc wykładniczo z upływem czasu. Do czasu hodowli proporcjonalny jest więc logarytm liczby bakterii, a nie sama ich liczba. Stąd nazwa - faza logarytmiczna.

45. Scharakteryzuj fazę stacjonarną hodowli okresowej.
W fazie stacjonarnej obserwuje się spadek przyrostu liczby bakterii, w wyniku zamierania części komórek z powodu wyczerpywania się składników pokarmowych, tlenu i wytwarzania produktów przemiany materii. Zamieranie to jest w pewnej równowadze z dzieleniem się innych komórek.

46. Wyjaśnij pojęcie wydajności (plonu) hodowli.

Wydajnością, plonem lub uzyskiem nazywa się masę bakteryjną wytworzoną w chwili osiągnięcia fazy stacjonarnej (jedna z faz wzrostu bakterii w hodowlach okresowych, która rozpoczyna się w momencie gdy komórki mogą już się reprodukować). Zależy to od rodzaju składników odżywczych pożywki oraz warunków hodowli. Wydajność jest różnicą między początkową a maksymalną masą bakteryjną: X=X_max – X₀. Wartość ta jest wyrażana w gramach suchej masy.

Szczególne znaczenie ma zależność między wydajnością a zużyciem substratu (X/S) – ich stosunek wyrażony w jednostkach wagowych nazywa się współczynnikiem wydajności (lub wydajnością wzrostu) i oznacza jako Y. Wydajność może być także odniesiona do stężenia substratu i wyrażona jako molarny współczynnik wydajności, co umożliwia obliczenie ilości ATP otrzymywanego z danego źródła energii (substratu). To natomiast pozwala określić pojęcie energetycznego współczynnika wydajności (Y_ATP = g komórek/mol ATP).

47. Scharakteryzuj fazę zamierania hodowli okresowej.

Z czasem komórek zamierających jest więcej i dochodzi do spadku ogólnej liczby komórek – hodowla się przerzedza i z czasem zamiera.

48. typy pokarmowe drobnoustrojów.

Zanim substancje odżywcze zostaną wykorzystane przez komórkę muszą najpierw przedostać się przez osłony komórkowe. Osłony te nie są dużą przeszkodą dla małych cząsteczek i jonów, lecz zatrzymują związki o względnej masie cząsteczkowej powyżej 600. O transporcie substancji odżywczych do komórki decyduje przede wszystkim błona cytoplazmatyczna.

Transport substancji odżywczych przez błonę cytoplazmatyczną jest swoisty; pobierane są jedynie te składniki, dla których istnieją systemy transportu. Poza kilkoma wyjątkami transport jest procesem swoistym, zależnym od permeaz i translokaz. Są to białka błonowe, a ich nazwy wskazują na właściwości enzymatyczne: mogą być indukowalne przez substrat, są substratowo swoiste i wytwarzane jedynie w warunkach pozwalających na syntezę białka.

Rozpatrując jedynie te procesy, które odbywają się w błonie cytoplazmatycznej, możemy rozróżnić dwa rodzaje transportu: pierwotny i wtórny.

Transport pierwotny obejmuje te procesy, które prowadzą do przemieszczenia takich jonów, jak H⁺, Na⁺, czy K⁺, a zatem powodują zmiany potencjału elektrochemicznego. Transport pierwotny jest napędzany przenoszeniem elektronów w oddychaniu lub fotosyntezie, pompami jonowymi zależnymi od ATP lub pompami jonowymi uruchamianymi w wyniku dekarboksylacji różnego typu metabolitów (szczawiooctan, metylomalonylo-CoA, glutakonylo-CoA).

Termin transport wtórny określa wszystkie procesy powodujące pobieranie przez komórkę lub wypływanie z niej metabolitów i jonów, napędzane potencjałem elektrochemicznym:

- dyfuzja prosta – termin ten określa nieswoistą penetrację substancji do komórki. Penetracja ta zależy od wielkości cząsteczki oraz jej lipofilności. Z tej drogi korzysta woda

- dyfuzja ułatwiona – dana substancja jest transportowana do komórki zgodnie z gradientem jej stężenia, tj. w kierunku wyrównania stężeń wewnątrz i na zewnątrz komórki

- transport aktywny – w obecności źródła energii pochodzącej z metabolizmu, substrat może akumulować się wewnątrz komórki wbrew gradientowi stężeń.

49. Pożywki – podział. Pożywki dla autotrofów i heterotrofów. Pożywki wybiórczo-różnicujące.

Wszystkie bakterie i grzyby potrzebują do wzrostu i rozmnażania się źródła energii, węgla, azotu i wielu innych składników pokarmowych. Określa to łatwy do zapamiętania skrót CHOPKNS, będący szeregiem symboli chemicznych najważniejszych pierwiastków. Oprócz wymienionych składników, w każdej pożywce niezbędna jest również obecność żelaza, magnezu oraz tzw. pierwiastków śladowych, koniecznych w bardzo małych stężeniach (np. Co, Mn, Zn, Cu, Mo, Ca).

Na szczególną uwagę zasługuje zapotrzebowanie na źródło energii i węgla. W przypadku mikroorganizmów autotroficznych źródłem energii jest promieniowanie słoneczne (fotoautotrofy) lub energia utleniania zredukowanych związków nieorganicznych (chemoautotrofy), źródłem węgla natomiast obecny w atmosferze CO₂. Dlatego pożywki do hodowli autotrofów nie muszą zawierać związków węgla.

Dla heterotrofów natomiast źródłem energii i węgla są związki organiczne. Pod względem zapotrzebowania na związki organiczne mikroorganizmy dzieli się na dwie grupy:

• prototrofy, wymagające do wzrostu tylko jednego rodzaju związku węgla,

• auksotrofy, wymagające przynajmniej dwóch rodzajów związków węgla.

Prototrofy są wyjątkowo uzdolnione metabolicznie, gdyż potrafią wszystkie potrzebne składniki komórkowe zsyntetyzować z często bardzo prostych, nawet jednowęglowych związków wyjściowych, np. metanu czy mrówczanu. Są to przede wszystkim drobnoustroje żyjące w środowisku ubogim w składniki pokarmowe (woda, gleba), ale są wśród nich również mieszkańcy środowisk bogatych w pokarm, np. występująca powszechnie w jelicie człowieka pałeczka okrężnicy (Escherichia coli).

Auksotrofami są często drobnoustroje żyjące w innych organizmach, np. liczne bakterie i grzyby chorobotwórcze. Występuje wśród nich duża rozpiętość wymagań pokarmowych, od jednego dodatkowego związku (np. pałeczka duru brzusznego Salmonella typhi wymaga aminokwasu tryptofanu) po liczne aminokwasy, zasady purynowe, pirymidynowe i witaminy potrzebne bakteriom fermentacji mlekowej.

W mikrobiologii stosuje się różne rodzaje pożywek, w zależności od celu badań. Ze względu na konsystencję można je podzielić na:

• płynne,

• stałe,

• półpłynne.

Pożywki płynne stosowane są zwykle do namnażania w celu otrzymania dużej biomasy komórek i pozyskiwania produktów ich metabolizmu. Przykładem może być bulion odżywczy, jedna z najczęściej używanych pożywek. Bulion jest mieszaniną peptonu (produktu enzymatycznej hydrolizy białek), wyciągu mięsnego (ekstraktu zawierającego m.in. zasady organiczne i witaminy) i NaCl, dodawanego dla zapewnienia odpowiedniego ciśnienia osmotycznego. Na bulionie dobrze rosną mikroorganizmy o średnich wymaganiach pokarmowych, jednak dla wielu drobnoustrojów żyjących w środowiskach ubogich w pokarm (glebowych i wodnych), jest on zbyt bogatą pożywką, hamującą ich rozwój. Z kolei dla bardzo wymagających bakterii chorobotwórczych bulion jest zbyt ubogi i musi być wzbogacony, np. o krew lub wyciąg drożdżowy. Tego typu pożywki określa się mianem wzbogaconych (patrz niżej).

Pożywki stałe stosuje się głównie do izolacji czystych szczepów, przechowywania ich, do badań morfologii kolonii, oraz w badaniach ilościowych (określaniu liczby komórek w próbie). Do zestalania pożywek płynnych używa się głównie agar, a także żelatynę. W przypadku hodowli niektórych bakterii autotroficznych, wrażliwych na większe stężenia związków organicznych, stosuje się żel krzemionkowy, którym zestala się pożywkę mineralną.

Agar jest mieszaniną dwóch polisacharydów: agarozy i agaropektyny, które są polimerami galaktozy. Jest on wytwarzany przez pewne glony morskie z grupy krasnorostów, jako składnik ich ścian komórkowych. Produkuje się go w postaci proszku lub granulek. Po wymieszaniu z wodą i podgrzaniu do temp. 95- agar rozpuszcza się, a w trakcie schładzania zachowuje swoją płynną konsystencję do temperatury ok. 45-, kiedy krzepnie przechodząc w galaretowaty żel. Sam agar (tzw. agar-agar) nie jest pożywką dla większości bakterii, gdyż nie potrafią go rozkładać. Jest on używany wyłącznie do zestalania pożywek płynnych (w ilości 1,5-2 %). Dodany do bulionu odżywczego tworzy tzw. agar odżywczy, w skrócie MPA.

Żelatyna, czyli tzw. klej kostny, jest białkiem otrzymywanym w wyniku dłuższego gotowania odpadków zawierających kolagen (skóra, kości). Wadą żelatyny jako podłoża mikrobiologicznego jest to, że rozpuszcza się ona już w temp. ok. 30-, a więc poniżej temperatury inkubacji wielu drobnoustrojów. Niektóre bakterie i grzyby potrafią rozkładać żelatynę upłynniając ją, co jest wykorzystywane w badaniach diagnostycznych (identyfikacyjnych).

Pożywki półpłynne mają konsystencję pośrednią między pożywkami płynnymi a stałymi, i zawierają 0,15-0,2 % agaru. Służą one do badania zdolności ruchu u bakterii. Po zaszczepieniu słupka z agarem półpłynnym, bakterie zdolne do ruchu będą się przemieszczać i, dzięki małej gęstości agaru, zasiedlą całą objętość pożywki. W efekcie licznych podziałów, po okresie inkubacji powstanie zmętnienie w całej objętości słupka agarowego. W przypadku bakterii nie zdolnych do ruchu, ich podziały komórkowe spowodują jedynie wzrost wzdłuż linii wkłucia.

Inny podział pożywek uwzględnia wymagania odżywcze drobnoustrojów:

• pożywki proste,

• pożywki wzbogacone,

• pożywki specjalne,

• pożywki wybiórcze (selektywne),

• pożywki wybiórczo-namnażające,

• pożywki wybiórczo-różnicujące.

Pożywki proste zaspokajają niskie i średnie wymagania pokarmowe mikroorganizmów. Należą tu m.in. omówione wyżej bulion i agar odżywczy. Stanowią one podstawę dla innych, bardziej złożonych pożywek.

Pożywki wzbogacone stosuje się do hodowli bardziej wymagających drobnoustrojów chorobotwórczych (np. paciorkowców i gronkowców), przystosowanych do życia w bogatym w substancje odżywcze środowisku wnętrza organizmu żywiciela. Czynnikiem wzbogacającym może być odwłókniona krew (często barania), wyciągi z narządów zwierzęcych, np. wątroby, wyciąg z drożdży, hydrolizat kazeiny – głównego białka mleka i inne.

Pożywki specjalne służą do hodowli drobnoustrojów o szczególnych wymaganiach odżywczych, takich jak prątki gruźlicy, dwoinki rzeżączki czy maczugowce błonicy. Używa się w nich wysokowartościowych składników odżywczych (żółtka jaj kurzych, surowice, witaminy).

Pożywki wybiórcze umożliwiają wzrost określonym drobnoustrojom (które chcemy wyizolować z próby) dzięki stworzeniu im sprzyjających warunków wzrostu lub dodanie składnika hamującego wzrost niepożądanych mikroorganizmów. Przykładem może być pożywka umożliwiająca wyosobnienie z gleby bakterii Azotobacter, wiążącej azot atmosferyczny. W pożywce tej nie ma związku zawierającego azot, pierwiastek niezbędny do wzrostu wszystkim komórkom. Tylko drobnoustroje zdolne do asymilacji (przyswojenia) azotu cząsteczkowego (N₂) z powietrza mogą na takiej pożywce rosnąć. Poza tym, zawiera ona mannitol, ulubione źródło węgla bakterii Azotobacter. Innym przykładem mogą być pożywki zakwaszone, które są wybiorcze dla grzybów. Obniżony odczyn hamuje wzrost większości bakterii, które zwykle preferują odczyn obojętny lub lekko zasadowy, natomiast grzyby jako mikroorganizmy kwasolubne dobrze rosną i dzielą się na takich podłożach.

Pożywki wybiórczo-namnażające są często pożywkami płynnymi i umożliwiają nie tylko wyosobnienie określonego drobnoustroju (który zwykle występuje w znikomej ilości), ale też namnożenie go do dużej biomasy umożliwiającej dalsze badania (np. identyfikacyjne). Przykładem może być podłoże z kwaśnym selenianem sodowym, stosowane do izolacji pałeczek Salmonella np. z produktów żywnościowych lub gleby (selenian jest tu czynnikiem hamującym wzrost drobnoustrojów gramdodatnich, a zwłaszcza ziarniaków).

Pożywki wybiórczo-różnicujące umożliwiają nie tylko wzrost wybranym drobnoustrojom, ale też pozwalają je zróżnicować. Przykładem może być pożywka Endo, często stosowana w sanitarnych badaniach środowiska. Pozwala ona rosnąć jedynie bakteriom gramujemnym, czyli jest dla nich wybiórcza (obecność w podłożu fuksyny hamuje rozwój bakterii gramdodatnich), ale też umożliwia zróżnicowanie wyrosłych bakterii na zdolne, i nie zdolne do fermentacji laktozy. Podczas fermentacji tego cukru powstaje bowiem aldehyd octowy, który daje czerwone zabarwienie po połączeniu się z fuksyną (dotąd bezbarwną, bo zredukowaną przez siarczyn sodu, również dodawany do pożywki). Dlatego bakterie fermentujące laktozę (jak pałeczka okrężnicy) tworzą kolonie koloru czerwonego z metalicznym (tzw. fuksynowym) połyskiem, a nie zdolne do fermentacji – koloru różowego lub bezbarwne.

Pożywki dzieli się też na:

• syntetyczne (o ściśle zdefiniowanym składzie ilościowym i jakościowym),

• naturalne (o nie znanym dokładnie składzie, na bazie składników pochodzenia naturalnego, np. wyciąg z tkanek roślinnych lub zwierzęcych, krew, mleko itp.),

półsyntetyczne (pożywka mineralna o znanym składzie, plus składniki pochodzenia naturalnego, o nie sprecyzowanym dokładnie składzie).

50. Scharakteryzuj hodowlę ciągłą (chemostat).

Jednak opisana sekwencja zdarzeń w hodowli może być inna. Jeśli tylko zapewni się usuwanie zużytego podłoża i zastępowanie go świeżym, to możliwe jest utrzymywanie fazy wzrostu logarytmicznego praktycznie w nieskończoność. Na tym właśnie polega hodowla ciągła. Jest więc ona, w przeciwieństwie do hodowli statycznej, układem otwartym, z ciągłym przepływem pożywki (zużytej i świeżej). Prowadzi się ją w tzw. chemostatach, umożliwiających kontrolowanie wzrostu komórek za pomocą dozowania odpowiednich ilości pożywki i regulowania szybkości przepływu. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie stanu równowagi, w którym zagęszczenie komórek jest stałe. Ma to duże znaczenie w badaniach procesów fizjologicznych drobnoustrojów, kiedy niezbędne są warunki stabilne. Hodowle ciągłe są wykorzystywane m.in. w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, do produkcji określonych substancji (np. kwasu octowego, antybiotyków) i biomasy (np. drożdży). Hodowle w procesach produkcyjnych prowadzi się w bioreaktorach (fermentorach). Rodzajem hodowli ciągłej jest również biologiczna oczyszczalnia ścieków, w której hoduje się bakterie (jako tzw. osad czynny) na bazie pożywki, jaką stanowią ciągle dopływające ścieki.

51. Wpływ temperatury na bakterie. Charakterystyka bakterii termofilnych, mezofilnych

i psychrofilnych.

Temperatura

Drobnoustroje wykazują duże zróżnicowanie wymagań termicznych, które muszą być uwzględnione podczas hodowli. Dla każdego mikroorganizmu można określić trzy tzw. temperatury kardynalne:

• minimalną, poniżej której wzrost komórek i podziały nie występują,

• optymalną, w której komórki rosną i dzielą się najszybciej,

• maksymalną, powyżej której wzrost i podziały nie zachodzą.

Temperatury niższe od minimalnych i wyższe od maksymalnych nie muszą być dla drobnoustrojów zabójcze, zawsze jednak hamują ich rozwój. Punkty kardynalne nie zawsze oznaczają ściśle określonej temperatury. Może to być pewien (zwykle wąski) zakres temperatur, zależny od innych czynników, np. od odczynu podłoża. Temperatura inkubacji hodowli zwykle pokrywa się z temperaturą optymalną dla danego drobnoustroju. Aby zachować właściwą temperaturę podczas rozwoju hodowli, prowadzi się ją w tzw. cieplarkach, czyli szafkach zaopatrzonych w urządzenie termostatowe umożliwiające nastawienie odpowiedniej temperatury i utrzymanie jej.

Punkty kardynalne są podstawą do podziału mikroorganizmów na trzy podstawowe grupy:

• psychrofilne (zimnolubne), o temperaturze optymalnej ok. (minimum ok. , maksimum ok. ),

• mezofilne (średniotemperaturowe), o optimum w (minimum , maksimum ),

• termofilne (ciepłolubne), o optimum w (minimum , maksimum ).

Psychrofilami jest większość drobnoustrojów żyjących w środowisku wodnym i glebowym.

Mezofilami są głównie drobnoustroje żyjące w ciele (i na ciele) zwierząt stałocieplnych (ptaki i ssaki). Są wśród nich zarówno gatunki chorobotwórcze, jak i niechorobotwórcze (saprofityczne) tworzące tzw. mikroflorę organizmu.

Do mikroorganizmów termofilnych należą głównie gramdodatnie laseczki i ziarenkowce. Występują one np. w fermentujących resztkach roślinnych, np. w oborniku, kompoście, stogach siana, w nawozie, gorących źródłach itp. Istnieje też grupa mikroorganizmów prokariotycznych zwana archeonami (do niedawna zaliczana do bakterii), która żyje w warunkach ekstremalnych, gdzie temperatura przekracza . Chodzi o tzw. kominy termalne na dnie oceanów. Drobnoustroje żyjące w tak wysokich temperaturach określa się mianem ekstremalnych termofili.

52. Wpływ pH i zasolenia na bakterie

Odczyn

Podobnie jak w przypadku temperatury (i innych czynników środowiska), tu również wyróżnia się dla każdego drobnoustroju wartość optymalną odczynu, jego minimum i maksimum. Odpowiednie stężenie jonów wodorowych (którego ujemny logarytm oznacza się jako pH) ma poważny wpływ na rozwój komórek. Większość bakterii preferuje odczyn obojętny lub lekko zasadowy (pH ok. 7 – 7,5), grzyby natomiast lepiej rosną w środowisku kwaśnym (pH ok. 5,2 – 5,6). W trakcie hodowli, jej odczyn dość szybko się zmienia, z powodu powstawania produktów przemiany materii. Aby utrzymać optymalny odczyn, pożywki przygotowuje się na bazie odpowiednich buforów

Ciśnienie osmotyczne

Większość drobnoustrojów może rosnąć tylko przy określonym stężeniu soli, w roztworze izotonicznym (stężenie soli na zewnątrz i wewnątrz komórki są sobie równe). Komórki w roztworze hipotonicznym, gdy stężenie soli na zewnątrz komórki jest mniejsze i woda ma tendencje do wnikania do wnętrza, mogą ulec pęknięciu (dzięki ścianie komórkowej udaje im się jednak wytrzymać określony napór wody). Z tego powodu do rozcieńczania prób w mikrobiologii nie stosuje się wody destylowanej, lecz roztwór fizjologiczny będący 0,85% roztworem NaCl. W roztworach hipertonicznych (stężenie na zewnątrz jest większe) przeżywalność komórek zależy od zdolności do przeciwstawiania się wypływowi wody i wysuszeniu. Drobnoustroje zdolne do wytrzymywania większych stężeń soli (do ok. 15%) określane są mianem osmotolerancyjnych (np. gronkowce), natomiast te, które wytrzymują jeszcze wyższe stężenia to tzw. osmofile lub halofile (niektóre archeony).

53. Podaj kryteria gatunku i omów zasady nazewnictwa prokariotów.

Nomenklatura. W systematyce bakterii obowiązuje, podobnie jak w systematyce roślin i zwierząt, nazewnictwo binominalne, tj. nazwa rodzajowa i gatunkowa. Obecnie, gdy szybko rośnie liczba nowych gatunków, zarzucono dawną zasadę, aby nazwy rodzajowe uwzględniały cechy morfologiczne, a gatunkowe – fizjologiczne. Beijerinck i Winogradski, obserwując różnorodność typów przemian materii, nadawali bakteriom nazwy rodzajowe nawiązując do ekologii oraz cech fizjologicznych i biochemicznych. Tak więc na przykład właściwości fizjologiczne odzwierciedlają nazwy takich rodzajów jak Acetobacter, Nitrosomonas, Azotobacter, zabarwienie komórek – nazwy Chromobacterium, Rhodomicrobium, właściwości patogenne – Pneumococcus, Phytomonas, a swoiste składniki pokarmowe odzwierciedlają nazwy Haemophilus, Amylobacter. Obecnie nowe nazwy nadaje się według ściśle określonych zasad.

Kryteria gatunku: reakcja Gram (dodatnie lub ujemne), tolerancja na temperaturę (mezofile i psychrofile), morfologia.

Koncepcja gatunku u prokariotów. Gatunek to grupa organizmów, które:

•wykazują mniej niż 3% różnic w sekwencji nukleotydowej 16S rRNA

•wykazują mniej niż 3% różnic w udziale zasad G +C w genomowym DNA

•charakteryzują się co najmniej 70% podobieństwem sekwencji DNA, mierzonym poziomem hybrydyzacji DNA/DNA

•różnią się od innych gatunków zespołem istotnych cech fenotypowych

54.Na czym polega taksonomia naturalna i jakie grupy bakterii wyróżnia się na jej podstawie?

Taksonomia (gr. taxis - porządek) zajmuje się opisem organizmów, ich nazywaniem i klasyfikacją (porządkowaniem). Taksonomia jest poddyscypliną systematyki – szerszej dyscypliny badającej różnorodność organizmów i związki pokrewieństwa między nimi

Taksonomia dzieli się na:

- klasyfikację,

- nomenklaturę (nazewnictwo)

- identyfikację.

Rodzaje taksonomii:

- taksonomia sztuczna: porządkuje mikroorganizmy na podstawie podobieństwa cech fenotypowych (morfologii, biochemii, serologii, fizjologii)

- taksonomia numeryczna: jest zobiektywizowaną formą taksonomii sztucznej i opiera się na zasadzie Adansona

- taksonomia naturalna (filogenetyczna): porządkuje mikroorganizmy na podstawie pokrewieństwa (wspólnego pochodzenia).

Taksonomia naturalna. Celem taksonomii naturalnej (naturalnego systemu klasyfikacji) jest określenie pokrewieństwa między klasyfikowanymi organizmami (taksonomia ma być odbiciem filogenezy). Cel ten może być osiągnięty na podstawie pewnych właściwości biochemicznych, takich jak sekwencja aminokwasów w enzymach spełniających podobne funkcje, sekwencja zasad w składnikach komórek odznaczających się konserwatywną budową, takich jak rybosomowe kwasy nukleinowe.

Filogeneza bakterii. Analiza i porównanie konserwatywnych cech filogenetycznych umożliwiły C. Woesemu opracowanie drzewa filogenetycznego bakterii. Rybosomy, jako miejsca syntezy białek, występują we wszystkich komórkach. Funkcjonalnie muszą więc być silnie konserwatywne. Dotyczy to szczególnie rybosomowego RNA, gdyż na sekwencję zasad w rRNA nie ma wpływu ani degradacja kodu genetycznego, ani mutacje supresorowe. rRNA ma więc właściwe cechy, by mógł być ogólnie stosowanym markerem filogenetycznym. Do analizy izoluje się 16S rRNA ze wszystkich organizmów, które chce się porównać. Badania porównawcze typowych Bacteria pozwoliły na wyłonienie jedenastu dużych grup:

- bakterie purpurowe

- sinice

- bakterie gramdodatnie

- chlamydie

- Planctomyces

- Bacteroides, Flavobacterium

- zielone bakterie siarkowe

- spirochety (krętki)

- Deinococcus

- bakterie zielone

- Thermotoga.

55.Na czym polega taksonomia sztuczna i taksonomia numeryczna?

Taksonomia sztuczna. Klasyfikacja sztuczna nie jest tak dociekliwa jak klasyfikacja filogenetetyczna. Jej celem jest grupowanie organizmów zgodnie z ich podobieństwem, tak aby mogły identyfikowane i oznaczane. W systemie sztucznym od oznaczania bakterii posługujemy się określonym kluczem, który zawiera nazwy, opisy cech morfologicznych, fizjologicznych.

Taksonomia numeryczna. Krokiem prowadzącym do bardziej obiektywnego, systematycznego uszeregowania bakterii było wprowadzenie taksonomii numerycznej. Opiera się ona na zasadzie Adsona, według której wszystkie uchwytne cechy organizmu są w klasyfikacji jednakowo ważne. W analizie numerycznej należy brać pod uwagę możliwie jak najwięcej cech. Cechy te należy tak ustawić, aby można je było wyrazić alternatywnie – tak (+) lub nie (-). Oceny odpowiednich kombinacji cech można dokonać za pomocą komputera, przy czym każdą cechę danego szczepu porównuje się z tą samą cechą wszystkich pozostałych szczepów. Podobieństwo między szczepami jest funkcją liczby podobnych cech w stosunku do całkowitej liczby badanych cech. Podobieństwo między parą szczepów jest więc wyrażone współczynnikiem podobieństwa (S), który jest zdefiniowany następująco:

S = (a + d) / (a +b + c + d),

gdzie a i d to sumy cech wspólnych dla porównywanych szczepów, b i c to sumy cech różnych. Obliczenia dają wartości między 1 i 0; S = 1 oznacza 100% podobieństwa, tzn. identyczność, a S < 0,02 oznacza całkowity brak podobieństwa. Badane szczepy można uznać za należące do jednego gatunku, gdy ich S > 0,8.

56. Regulacja ekspresji genów u prokariotów: operon laktozowy i tryptofanowy. Represja kataboliczna.

Operon laktozowy reguluje stężenie enzymów odpowiedzialnych za rozkład laktozy. W warunkach nieobecności laktozy, system utrzymuje niski poziom enzymów, natomiast w przypadku obecności laktozy warunkuje szybki wzrost stężenia tych enzymów. Na operon laktozowy składają się geny struktury: lacZ, lacY, lacA. W kierunku 5' do tych genów znajduje się sekwencja zwana operatorem. Sekwencja operatora „nachodzi” kilkoma nukleotydami na sekwencję promotora. Zatem jeżeli do operatora przyłączy się represor, uniemożliwia on transkrypcję genów.Istotą mechanizmu regulacyjnego operonu laktozowego jest zdolność łączenia się represora z odcinkiem operatorowym, warunkowana przez drobnocząsteczkowe związki chemiczne. W przypadku połączenia się laktozy do białka regulatorowego (represora) nastąpi obniżenie zdolności represora do wiązania się z operatorem. Zatem represor nie będzie w stanie blokować sekwencji operatora i w rezultacie umożliwia przyłączenie się polimerazy RNA do promotora (transkrypcja genów).Przy braku laktozy represor uniemożliwia przyłączenie się polimerazy RNA i rozpoczęcie transkrypcji. Pojawienie się laktozy w środowisku zmienia strukturę cząsteczek represora, umożliwiając tym samym syntezę mRNA (oraz ekspresję genów kodujących enzymy rozkładające laktozę). Po wyczerpaniu substratu (laktozy), niezmodyfikowane już cząsteczki represora znów łącza się z operatorem, przywracając wyjściową sytuacje.

Operon tryptofanowy - operon kodujący enzymy potrzebne do syntezy aminokwasu -tryptofanu. Składa się z operatora, promotora i pięciu genów struktury.

Represor operonu tryptofanowego, kodowany przez gen trpR, jest produkowany w sposób ciągły. Gdy w komórce brak jest tryptofanu represor pozostaje nieaktywny i nie blokuje ontranskrypcji genów struktury. W komórce występuje w postaci dimerów. Gdy stężenie tryptofanu w komórce wzrasta, jego cząsteczki łączą się z nieaktywnym represorem. Następuje wówczas zmiana konformacji represora, dzięki czemu staje się on aktywny (tryptofan jest tu korepresorem). Aktywny represor blokuje operator, co uniemożliwia związanie się polimerazy RNA z DNA i prowadzenie transkrypcji genów operonu tryptofanowego (jest to więc system reprymowalny). Stan taki utrzymuje się tak długo, aż stężenie tryptofanu w komórce się zmniejszy. Tryptofan jest stale potrzebny w komórce, zatem kiedy go zabraknie, nieaktywny represor nie wiąże się z operatorem, dzięki czemu geny operonu tryptofanowego ulegają transkrypcji.

Synteza łańcucha RNA rozpoczyna się od lidera. Sekwencja liderowego RNA zawiera wydajne miejsce wiązania rybosomu. Produktem translacji liderowego RNA jest oligopeptyd, którego funkcja polega na określaniu stężenia dostępnego tryptofanu i regulowaniu terminacji transkrypcji. Pomiędzy sekwencją liderową a pierwszym genem struktury znajduje się atenuator, pełniący funkcję w regulacji transkrypcji. Zawiera on krótką sekwencję palindromową G-C,po którym następuje osiem cząsteczek adenozyny. Taka sekwencja ośmiu adenozyn transkrybowana daje na RNA osiem cząsteczek uracylu. Kombinacja ta umożliwia utworzenie przezmRNA strukturę spinki do włosów, czyli działa ona jak skuteczny terminator transkrypcji.

Wiele bakterii może wykorzystać liczne związki pokarmowe. Wymaga to oczywiście syntezy enzymów koniecznych do ich metabolizmu.

Regulacja metabolizmu. Synteza wielu enzymów jest regulowana w drodze indukcji. Enzymy konieczne do wykorzystania danej substancji pokarmowej tworzą się wyłącznie wtedy, gdy substancja ta znajduje się w środowisku. Wytwarzanie licznych enzymów jest regulowane również przez represję. Enzymy szlaków biosyntetycznych nie są produkowane, gdy znajduje się w środowisku końcowy produkt ich działania, bowiem nagromadzenie końcowego produktu reakcji prowadzi do represji, tj. do zmniejszenia szybkości syntezy wszystkich enzymów związanych z określonym szlakiem biosyntetycznym (tzw. represja przez produkt końcowy).

Represja kataboliczna. Represja przez produkt końcowy jest związana ze szlakami biosyntetycznymi, natomiast represja kataboliczna odnosi się do szlaków rozkładu substratów. Jednoczesna obecność dwóch katabolicznych substratów w pożywce prowadzi do preferencyjnego wykorzystania jednego z nich, zazwyczaj tego, który zapewnia lepszy wzrost. Wiąże się to z hamowaniem syntezy enzymów katabolicznych koniecznych do wykorzystania drugiego substratu; zjawisko nosi nazwę represji katabolicznej. Dwa związki tworzące pary substratów: glukoza i sorbitol, glukoza i laktoza lub glukoza i octan nigdy nie są zużywane przez E. coli w tym samym czasie, lecz jeden po drugim. Glukoza jest metabolizowana jako pierwsza, jednocześnie hamując wytwarzanie enzymów niezbędnych do katabolizmu innych substratów.

57. trzy systemy wymiany informacji genetycznej u bakterii.

Koniugacja. Przekazywanie materiału genetycznego z komórki do komórki w drodze ich bezpośredniego kontaktu nazywamy koniugacją. Materiał genetyczny przekazywany jest zawsze jednokierunkowo ze szczepu dawcy do biorcy. Zdolność do pełnienia roli dawcy zależy od obecności ruchomej cząsteczki DNA, czynnika płciowego w komórce. Czynnik F jest zamkniętą kolistą cząsteczką dwuniciowego DNA i jako pozachromosomowy DNA zdolny do autonomicznej replikacji jest przykładem plazmidu. Zawiera on geny odpowiedzialne za proces koniugacji.

Transdukcja. Przeniesienie DNA z komórki dawcy do biorcy przez bakteriofaga nazywamy transdukcją. Zazwyczaj zostaje przeniesiony tylko mały fragment DNA gospodarza (tj. dawcy). Rozróżniamy dwa rodzaje transdukcji: niespecyficzną (ogólną), gdy każdy segment DNA gospodarza może zostać przeniesiony, i specyficzną, ograniczoną do przekazania określonych segmentów DNA. W transdukcji ogólnej fragment DNA gospodarza zostaje włączony do cząsteczki wirusa albo jako odcinek dodatkowy, albo zastępując genom fagowy. Przeniesienie genów metodą specyficznej transdukcji (w przeciwieństwie do transdukcji ogólnej) przeważnie jest związane z włączaniem się faga do chromosomu (tylko niektóre geny fagowe są zastąpione przez geny gospodarza). W obu przypadkach fagi transdukujące są zazwyczaj poronne, na przykład często tracą zdolność do lizy komórek gospodarza.

Bakteriofagi. Bakteriofagi, zwykle nazywane fagami, są wirusami, które infekują prokarioty. Są one bezwzględnymi pasożytami wewnątrzkomórkowymi, które są zdolne do istnienia jako cząstki fagowe poza komórką bakteryjną, ale mogą się namnażać tylko wewnątrz komórki.

Transformacja. Pewne bakterie są zdolne do naturalnego pobierania DNA z otaczającego podłoża i wbudowywania go w swoje genomy, w procesie zwanym transformacją. Należą tu: Streptococcus, Bacillus, Neisseria, Haemophilus i pewne gatunki Archaea. Nie wszystkie gatunki w obrębie rodzaju, tak jak i nie wszystkie komórki w populacji są zdolne do tranformacji. Zdolność bakterii do pobrania DNA jest związana z rozwojem kompetencji, stanu, w którym na powierzchni komórki obecne są receptory, a także wytwarzane są inne białka specyficzne dla procesu transformacji. Kompetencja zależy od stanu fizjologicznego komórek i od fazy wzrostu. Kompetentne komórki mają zmienione warstwy powierzchniowe, ściana komórkowa staje się porowata, aktywność zewnątrzkomórkowych enzymów zwiększa się i następuje synteza „czynnika kompetencji”, który zostaje wydzielony do podłoża. Czynnik ten powoduje zmiany we właściwościach komórki charakterystyczne dla stanu kompetencji.

58.mutacje a rekombinacje

mutacja genetyczna to nagłe zmiany materiału genetycznego, prowadzące do nieprawidłowości (chorób itp), natomiast rekombinacja genetyczna to proces wymiany materiału genetycznego. znaczenie rekombinacji jest raczej korzystne, ale na pewno nie szkodliwe - powstają nowe genotypy, zwiększa zmienność genetyczną. Mutacje prowadzą do schorzeń i nieprawidłowości wszelkiej maści, korzystne mutacje to bardzo rzadkie przypadki.

czynniki mutagenne:

• promieniowanie (ultrafiolet, jonizujące)

• wysoka temperatura

• czynniki chemiczne:

• kwas azotowy (III) - HNO₂ - powoduje usunięcie grup aminowych z zasad azotowych, co powoduje np. zamianę cytozyny w uracyl

• związki alkilujące (np. iperyt i jego pochodne) - powodują dołączanie do zasad azotowych grup alkilowych, co również zmienia ich charakter

• analogi zasad azotowych (np. bromouracyl) - nie są prawidłowo odczytywane podczas transkrypcji

• barwniki akrydynowe (np. oranż akrylowy, akryflawina, proflawina) - powodują wstawianie lub wycinanie sekwencji nukleotydowych

• alkaloidy - np. kolchicyna, blokująca tworzenie wrzeciona podziałowego, co powoduje, że chromosomy nie rozchodzą się podczas podziału

• sole metali ciężkich

• czynniki metaboliczne (np. brak jonów Mg²⁺ lub Ca²⁺)

59.plazmidy- definicja, rola i przykłady.

Plazmidy są pozachromosomowymi cząsteczkami DNA, które replikują się niezależnie od bakteryjnego chromosomu. Zazwyczaj są to kowalencyjnie zamknięte, koliste, superzwinięte cząsteczki. Plazmidy zazwyczaj niosą geny kodujące funkcje, które mogą być przydatne komórce w pewnych specjalnych okolicznościach, ale nie są niezbędne do pełnienia podstawowych funkcji życiowych w normalnych warunkach. Przykładami mogą być geny warunkujące oporność na czynniki toksyczne dla bakterii (np. antybiotyki, metale ciężkie), geny wirulencji (zdolność bakterii do infekowania i kolonizowania gospodarza) i geny pozwalające bakteriom zużywać nietypowe źródła węgla takie jak toluen.

Ważna grupa plazmidów to plazmidy koniugacyjne, które wykryto u wielu bakterii. Są one zdolne do przekazywania się między komórkami prokariotycznymi w procesie zwanym koniugacją. Plazmidy tego typu są reprezentowane m.in. przez plazmidy R, które niosą dodatkowe geny, na przykład geny oporności na antybiotyki. Wiele plazmidów koniugacyjnych przekazywanych jest tylko w obrębie tego samego gatunku, ale istnieje ważna grupa plazmidów zdolnych do przenoszenia się do szerokiego wachlarza bakterii gramujemnych. Nazywane są one „wszędobylskimi” albo plazmidami o szerokim zakresie gospodarza. Wszystkie plazmidy R, ale w szczególności te wszędobylskie, stanowią poważny problem z medycznego punktu widzenia, ze względu na swój potencjalny udział w rozprzestrzenianiu genów oporności na antybiotyki.

60. wodne bakterie autochtoniczne i allochtoniczne.

Mikroflora autochtoniczna wód - drobnoustroje naturalnie bytujące i rozmnażające się w środowisku wodnym.

Właściwe bakterie wodne to autotrofy i heterotrofy, zdolne do wzrostu nawet w obecności śladowych ilości substancji odżywczych. Można je spotkać w wodach o niewielkim stopniu zanieczyszczenia. Pod względem wymagań temperaturowych należą do mikroorganizmów psychrofilnych o optymalnej temperaturze wzrostu około 20°C. W grupie mikroorganizmów najbardziej charakterystycznych dla środowiska wodnego znajdują się ruchliwe bakterie należące do rodzajów: Vibrio, Pseudomonas, Aeromonas, Selenomonas, Spirillum oraz bakterie nitryfikacyjne (Nitrosomonas europae, Nitrococcus mobilis, Nitrobacter winogradskyi), bakterie siarkowe i żelazowe.

W wodzie żyje wiele bakterii osiedlających się na podwodnych ciałach stałych. Są to bakterie styliskowe (Caulobacteriales) i bakterie nitkowate (Chlamydobacteriales). Tworzą one nieruchliwe przytwierdzone do podłoża nitki zbudowane z wydłużonych cylindrycznych komórek.

W mule dennym rozwija sie zazwyczaj mikroflora beztlenowa, będąca głównym źródłem zanieczyszczeń ryb poławianych techniką-włókiem dennym: bakterie gnilne, bakterie rozkładające lignocelulozę.

W strefie przybrzeżnej drobnoustroje występują w tzw. postaci zespołu poroślowego, na który składają się okrzemki, zielenice, oraz bakterie siarkowe i pierwotniaki.

61. charakterystyka E.coli

Pałeczka okrężnicy (Escherichia coli). Fakultatywnie tlenowa, Gram-ujemna pałeczka należąca do rodziny Enterobacteriaceae. Wchodzi w skład fizjologicznej flory bakteryjnej jelita grubego człowieka oraz zwierząt stałocieplnych. W jelicie spełnia pożyteczną rolę, uczestnicząc w rozkładzie pokarmu, a także przyczyniając się do produkcji witamin z grupy B, C oraz K. E. coli spotyka się również w glebie i wodzie, gdzie trafiają z wydzielinami i kałem. Bakterie te, zwykle nieszkodliwe w jelicie, mogą jednak powodować groźne schorzenia przewodu pokarmowego, dróg moczowych, a ostatnio często dróg oddechowych.

Bakterie z grupy coli

Bakterie grupy coli to przede wszystkim szczepy Escherichia coli oraz drobnoustroje z rodzaju Enterobacter, Citrobacter i Klebsiella. Wykrywane są one na podłożach z laktozą po inkubacji w temperaturze 37 ^oC.

Bakterie grupy coli typu kałowego (termotolerancyjne) to głównie szczepy Escherichia coli i tylko te nieliczne szczepy z rodzajów Enterobacter, Citrobacter i Klebsiella, które mają zdolność fermentacji laktozy w temperaturze 44 ^oC.

Obecność w badanej próbce wody bakterii grupy coli lub bakterii grupy coli typu kałowego świadczy o stosunkowo świeżym zanieczyszczeniu wody kałem, ściekami, glebą lub gnijącym materiałem roślinnym. W zasadzie dla większości rodzajów wód zalecane jest oznaczanie liczby bakterii obu grup coli.

62. Metody badania bakterii E. coli i bakterii z grupy coli

Diagnostykę bakterii z rodziny Enterobacteriaceae poprzedza wykonanie oznaczeń potwierdzających zdolność wyizolowanych szczepów do:

• wytwarzania oksydazy,

• fermentacji glukozy i

• redukcji azotanów.

Następnie należy przystąpić do bezpośredniej identyfikacji bakterii do rodzaju i gatunku, na podstawie schematów biochemicznych. Badania przeprowadza się etapami.

Pierwszy z nich polega na wykonaniu tzw. szeregu izolacyjnego. Składa się on z czterech podłoży diagnostycznych:

1. wody peptonowej z tryptofanem,

2. podłoża Kliglera,

3. laktozy 10% pod parafiną,

4. podłoża z mocznikiem.

Wzrost bakterii na tych podłożach pozwala na ocenę następujących właściwości:

1. wytwarzania indolu z tryptofanu,

2. zdolności do wytwarzania siarkowodoru (H₂S),

3. wytwarzania gazu przy fermentacji węglowodanów,

4. rozkładu laktozy i mocznika.

Wyniki tych badań są podstawą do zastosowania odpowiedniego szeregu różnicującego w drugim etapie badań.

Etap trzeci, tzw. testy potwierdzające, wykonywany jest tylko w przypadkach wątpliwych, w których nie jest możliwe określenie przynależności taksonomicznej badanego szczepu na podstawie uprzednio przeprowadzonych badań.

Klasyczna diagnostyka drobnoustrojów wymaga zgromadzenia bardzo wielu danych. Jest to praca żmudna, długotrwała i wymagająca zastosowania wielu podłóż i odczynników. Jest to więc badanie drogie. Dlatego w praktyce stosuje się szereg mikrometod ułatwiających i przyśpieszających identyfikację. Metody takie zostały m.in. opracowane dla bakterii będących wskaźnikami stanu sanitarnego, np. szybka identyfikacja pałeczki okrężnicy (Escherichia coli) spośród bakterii grupy coli typu kałowego możliwa jest dzięki tzw. testowi (szeregowi) IMVC. Skrót ten oznacza następujące cztery badania:

• I – badanie zdolności do wytwarzania indolu z tryptofanu,

• M – reakcja z czerwienią metylową (tzw. odczynnik MR), która przyjmuje czerwone

zabarwienie przy zakwaszeniu podłoża Clarca w wyniku rozkładu glukozy,

• V - badanie zdolności do wytwarzania acetylometylokarbinolu (acetoiny) z glukozy

na podłożu Clarca (tzw. reakcja Vogesa-Proskauera),

• C - badanie zdolności do wykorzystywania cytrynianu jako jedynego źródła węgla.

63. Charakterystyka bakterii z rodzaju Salmonella

Salmonella – rodzaj bakterii z rodziny Enterobacteriaceae, grupujący Gram-ujemnewzględnie beztlenowe (fermentujące glukozę) pałeczki. Bakterie te są średniej wielkości, zwykle zaopatrzone w rzęski. Należą do bakterii względnie wewnątrzkomórkowych – rezydują w komórkach zarażonego organizmu. Rodzaj Salmonella podzielony jest na dwa gatunki: S. enterica oraz S. bongori. Pierwszy z gatunków podzielony jest na setki serotypów. Jeden z nich,Salmonella enterica subspp. enterica obejmuje bakterie najczęściej izolowane od ludzi i zwierząt stałocieplnych. Dodatkowo rodzaj Salmonella, ze względu na duże zróżnicowanie podzielony został na grupy oraz typy serologiczne. Podstawą do podziału jest zróżnicowanie antygenów somatycznych (antygenO) i rzęskowych (antygen H). Obowiązujący schemat podziału pałeczekSalmonella na gatunki, podgatunki oraz typy serologiczne (serotypy) nazywany jest od nazwisk jego twórców, schematem Kauffmana-Whitea. Do głównych serotypów należą:

• S. enteritidis, S. typhimurium, S. virchow, S. hadar – bakterie wywołujące zapalenie jelita cienkiego i grubego. W Polsce najczęstsza przyczyna bakteryjnych zatruć pokarmowych. Najczęściej zmiany chorobowe ograniczają się do przewodu pokarmowego, lecz możliwe jest uogólnienie się procesu chorobowego - posocznica, zakażenie narządów wewnętrznych, stawów.

• S. typhi – wywołujący dur brzuszny

• S. paratyphi – wywołująca dury rzekome

64. Charakterystyka bakterii z rodzaju Legionella

Bakterie z rodzaju Legionella

Bakterie z rodzaju Legionella są to Gram ujemne pałeczki posiadające polarnie umieszczone wici w liczbie od 1 do 3. Do wzrostu potrzebują żelaza i cysteiny. Ich naturalnym rezerwuarem są wody śródlądowe i morskie. Licznie występują również w glebie i gorących źródłach wody. Wyizolowano do tej pory 46 gatunków z rodzaju Legionella, wśród których zidentyfikowano 70 grup serologicznych. Bakterie z rodzaju Legionella są wewnątrzkomórkowymi pasożytami pierwotniaków. Mogą również powodować nietypowe zapalenie płuc u ludzi, jak i gorączkę Pontiac. Szczególnie niebezpieczne dla człowieka są bakterie należące do gatunku Legionella pneumophila. Dostają się one do płuc w mikroaerozolach o średnicy 2,0 – 5,0 µm powstających np. w kabinach prysznicowych. Postaci płucnej legionellozy towarzyszy suchy kaszel, zaburzenia w oddychaniu, temperatura powyżej , zaburzenia świadomości. Śmiertelność wynosi 10-20% zachorowań. Rezerwuarem tych bakterii są systemy ciepłej wody i urządzenia wentylacyjne. Bakterie te mogą kolonizować wewnętrzne części rur z ciepłą wodą, zbiorniki na ciepłą wodę, wieże chłodnicze, perlatory zaworów czerpalnych (głowice natryskowe pryszniców).

65. Wirusy chorobotwórcze przenoszone droga wodną.

Oprócz bakterii chorobotwórczych wody powierzchniowe, do których odprowadzane są ścieki bytowo-gospodarcze zawierają zawsze znaczne ilości innych drobnoustrojów chorobotwórczych, np. wirusa polio, który powoduje porażenie dziecięce, czyli chorobę Heinego-Medina. Nawet w nieznacznie zanieczyszczonej wodzie rzecznej występują enterowirusy, które wywołują schorzenia jelit.

66. Cykl rozwojowy u Giardia i Cryptosporidium.

Lamblie. Są chorobotwórczymi wiciowcami należącymi do rodziny Hexamitidae. Wywołują one u człowieka chorobę jelit o nazwie lamblioza (syn. giardioza). Choroba ta jest wywoływana przez pierwotniaka, który atakuje głównie przewód pokarmowy człowieka, a zwłaszcza dwunastnicę i drogi żółciowe. Giardia intestinalis należy do pasożytów kosmopolitycznych, to znaczy, że zarażenia tym pierwotniakiem obserwuje się na terenie całej kuli ziemskiej.

Lamblia pasożytuje w organizmie człowieka w postaci 2 form, to jest cysty i trofozoitu. Trofozoit – aktywna postać pasożyta, o charakterystycznym gruszkowatym kształcie jest dwubocznie symetryczny; na biegunie przednim jest zaokrąglony, natomiast w części tylnej jest zaostrzony. Na terenie cytoplazmy trofozoitu widoczne są 2 owalne jądra z chromatyną w środku oraz charakterystyczne dla lamblii kariomastigonty, aksonemy oraz ciała parabazalne. Lamblia ma również 4 pary wici: środkową, grzbietową, boczną i tylną. Na biegunie przednim trofozoitu znajduje się tak zwany krążek czepny, który umożliwia lamblii przyczepianie się do kosmków jelitowych błony śluzowej przewodu pokarmowego. W krążku czepnym znajdują się swoiste dla lamblii białka, tak zwane giardiny, które warunkują jego czynności fizjologiczne. Cysta Giardia intestinalis jest owalna; zawiera charakterystyczną dla lamblii odstającą cytoplazmę od błony komórkowej. Na terenie cytoplazmy widoczne są 2 lub 4 jądra, aksonemy, twory sierpowate, zawiązki wici oraz liczne, bardzo drobne wodniczki jodofilne.

CYKL ŻYCIOWY. Cysta po dostaniu się do organizmu człowieka ulega przekształceniu w procesie ekscytacji w 2 trofozoity. Opisany proces zachodzi w dwunastnicy, gdzie trofozoity ulegają następnie dalszym podziałom, prowadząc do powstania licznej populacji trofozoitów, zdolnych do dalszej inwazji jelita cienkiego, dróg żółciowych i przewodów trzustki. W dalszych odcinkach przewodu pokarmowego trofozoity ulegają przekształceniu w procesie encystacji w cysty, które są następnie wydalane z kałem. Jeżeli cysty dostaną się ponownie do przewodu pokarmowego zdrowego człowieka, przekształcają się ponownie w trofozoity i cykl rozwojowy pasożyta rozpoczyna się od nowa. Zakażenie Lamblia intestinalis może utrzymywać się przez wiele lat, tworząc zwykle stan dynamicznej równowagi pomiędzy zjadliwością pasożyta, a stanem odporności żywiciela. Możliwe jest też krótkotrwałe przechorowanie i samoistne pozbycie się lamblii.

ZARAŻENIE. Do zarażenia lamblią jelitową dochodzi najczęściej drogą pokarmową przez połknięcie cyst pierwotniaka wraz z zarażoną nimi wodą lub żywnością. Możliwe jest także zarażenie lamblią poprzez stosunek seksualny, niemniej jednak do zarażenia tą drogą dochodzi niezwykle rzadko.
CHOROBOTWÓRCZOŚĆ. Giardia intestinalis wywołuje u człowieka tak zwaną lambliozę. Lamblioza w pierwszym stadium chorobowym charakteryzuje się występowaniem nudności, wymiotów oraz bezkrwawej biegunki. W postaci przewlekłej tej choroby obserwuje się naprzemienne biegunki i zaparcia, bóle w nadbrzuszu, bóle głowy, stany podgorączkowe. Chory w tym czasie może się skarżyć na brak łaknienia oraz łatwe męczenie się. Utrzymujące się zarażenie giardia intestinalis może prowadzić do stopniowego zmniejszania się masy ciała wraz z zanikiem mięśniowym.

Cryptosporidium. Rodzaj chorobotwórczych pierwotniaków powodujących zarażenia układu pokarmowego przede wszystkim u zwierząt, zaś u ludzi wywołujących kryptosporydiozę. Ich mitochondria nie zawierają DNA.

Cryptosporidium parvum - najczęściej występujący, jako jedyny jest pasożytem człowieka. Prowadzi pasożytniczy tryb życia w jelicie cienkim oraz układzie oddechowym człowieka i innych zwierząt (drób, bydło, psy, koty). Cryptosporidium parvum wywołuje u człowieka kryptosporidiozę – chorobę o charakterze ostrego lub przewlekłego nieżytu żołądkowo-jelitowego (zapalenie błony śluzowej żołądka i jelit pojawiające się raczej niespodziewanie i nagle, powodujące wymioty oraz biegunkę, którym towarzyszą kurczowe bóle brzucha).
Pasożyt ten z punktu widzenia medycznego ma duże znaczenie w pediatrii - atakuje szczególnie niemowlęta oraz dzieci, u których układ odpornościowy jest niedostatecznie rozwinięty i/lub wykazuje pewne dysfunkcje.
CYKL ROZWOJOWY. Podobnie jak u innych pierwotniaków należących do podtypu Coccidia (ziarniaki) cykl rozwojowy Cryptosporidium parvum jest złożony. Wyróżnia się w nim etapy rozmnażania bezpłciowego (schizogonia) oraz etapy rozmnażania płciowego (sporogonia) – oba zachodzą na terenie organizmu żywiciela. Natomiast pewna część cyklu rozwojowego (tzn. nabywanie inwazyjności przez oocysty) zachodzi w środowisku zewnętrznym poza organizmem człowieka.
W cyklu rozwojowym Cryptosporidium parvum wyróżnia się wiele stadiów rozwojowych. Oocysta po dostaniu się do organizmu człowieka uwalnia w jelicie cienkim sporozoity, które atakują enterocyty (komórki błony śluzowej jelit), przytwierdzają się nich, a następnie przekształcają się w trofozoity. W okresie około 1 tygodnia od zarażenia trofozoity rozpoczynają etap rozmnażania bezpłciowego (schizogonię) - wytwarzane są merozoity a następnie meronty II generacji. W dalszej kolejności powstają mikro- I makrogametocyty a następnie odpowiadające im mikro- i makrogamety. Rozpoczyna się etap rozmnażania płciowego - gamety łączą się, powstaje zygota, która otacza się otoczką tworząc oocystę. Oocysta jest następnie wydalana z kałem do środowiska zewnętrznego, gdzie staje się inwazyjna dla człowieka i zwierząt poprzez wytworzenie w jej wnętrzu czterech sporozoitów.

67. Analiza bakteriologiczna wody.

Dlaczego kontrolujemy jakość sanitarną wody? Możliwość zakażenia ludzi przez wodę zmusza do stałej kontroli higieniczno-sanitarnej, zarówno wody przeznaczonej do picia, jak też i wody w basenach kąpielowych, a nawet w zbiornikach wód powierzchniowych. Przyczyną zakażeń są mikroorganizmy chorobotwórcze wydalane przez ludzi chorych i nosicieli (osobnicy, którzy po przebyciu choroby wydalają zarazki jeszcze przez długi czas z kałem lub moczem). Zarazki występują w ściekach i w wodach powierzchniowych w znacznie mniejszych ilościach niż pozostałe drobnoustroje. Z tego też względu znacznie trudniej jest je wykryć niż występujące masowo w wodzie bakterie saprofityczne, tym bardziej, że w celu ich wykrycia konieczne jest stosowanie znacznie bardziej skomplikowanych metod diagnostycznych.

Co to są mikroorganizmy wskaźnikowe? Obowiązujące normy oparte są na pośrednim wnioskowaniu o obecności mikroorganizmów chorobotwórczych na podstawie liczebności w wodzie bakterii wskaźnikowych, które stale żyją jako saprofity w przewodzie pokarmowym człowieka i zwierząt wyższych. Ich obecność w wodzie świadczy o jej zanieczyszczeniu fekalnym, a zatem również o niebezpieczeństwie zakażenia wody mikroorganizmami chorobotwórczymi.

Jakie bakterie wskaźnikowe wykorzystywane są do oceny jakości zdrowotnej wody? Do oceny jakości sanitarnej wody wykorzystywana jest mikroflora saprofityczna zasiedlająca jelito grube człowieka. Przyjęto następujące wskaźniki fekalnego zanieczyszczenia wody: Escherichia coli, bakterie grupy coli, paciorkowce kałowe (Enterokoki), laseczki z rodzaju Clostridium ( Clostridium perfringens) redukujące siarczyny oraz w niektórych przypadkach gronkowce koagulazo-dodatnie, Pseudomonas aeruginosa, Legionella sp.

Kryteria jakości sanitarnej wody do picia w Polsce. Według stosowanych w Polsce kryteriów w 100 ml wody podawanej do sieci wodociągowej nie może być ani jednej komórki bakterii uznanych za wskaźnikowe. Według stosowanych w Polsce kryteriów w wodzie do spożycia przez ludzi liczebność bakterii psychrofilnych nie powinna przekraczać 100 komórek w 1ml, natomiast bakterii mezofilnych 50 komórek w 1 ml wody.

68. Skład, wielkość i zdolność penetracji dróg oddechowych aerozolu.

Drobnoustroje w powietrzu występują w postaci układu koloidalnego zwanego aerozolem biologicznym lub bioaerozolem. W przypadku aerozoli biologicznych ośrodkiem dyspersyjnym jest powietrze (lub inny gaz), a fazą rozproszoną - mikroorganizmy. Jednak rzadko się zdarza, by drobnoustroje występowały w powietrzu samodzielnie. Zwykle są one związane z cząstkami pyłu lub kropelkami cieczy (wody, śliny i in.), dlatego cząstki bioaerozolu często przekraczają rozmiarami same mikroorganizmy i mogą występować w postaci dwóch faz: fazy pyłowej (np. powstającej dzięki ruchom powietrza unoszącym kurz), lub fazy kropelkowej (np. powstającej w wyniku kondensacji pary wodnej lub w czasie kichania).

Cząstki pyłu są zwykle większe od kropelek i szybciej się osadzają (sedymentują). Wiąże się z tym różnica w zdolności penetracji układu oddechowego; kropelki bioaerozolu docierają do pęcherzyków płucnych, natomiast cząstki pyłu najczęściej są zatrzymywane w górnym odcinku dróg oddechowych. Poza tym liczba drobnoustrojów związanych z jedną cząstką fazy pyłowej jest większa niż w przypadku fazy kropelkowej.

Wielkość cząstek bioaerozolu. Średnica cząstek bioaerozolu obejmuje zakres od ok. 0,02 µm do 100 µm. Wielkości poszczególnych cząstek mogą się zmieniać pod wpływem czynników zewnętrznych (głównie wilgotności i temperatury) a także w wyniku łączenia się w większe agregaty. Stosując kryterium wielkości można podzielić aerozol biologiczny na: drobnoziarnisty (poniżej 1µm) i gruboziarnisty (powyżej 1µm).

Cząstki drobnoziarniste to głównie wirusy, endospory i fragmenty komórek. Mają one własności higroskopijne i stanowią tzw. jądra kondensacji pary wodnej. Przy wysokiej wilgotności woda gromadzi się na nich tworząc fazę kropelkową. Wówczas średnica cząstek wzrasta. Bioaerozol gruboziarnisty tworzą głównie bakterie i grzyby, zwykle połączone z pyłami lub kropelkami wody.

Osadzanie się bioaerozolu w różnych odcinkach dróg oddechowych zależy głównie od rozmiaru cząstek oraz od siły, z jaką są wdychane. Bioaerozol gruboziarnisty osadza się głównie w jamie nosowo-gardłowej (szczególnie cząstki o średnicy powyżej 10µm) i drzewie oskrzelowym, tzn. tchawicy, oskrzelach i oskrzelikach (cząstki o średnicy 2-10µm). przy silniejszych wdechach (np. podczas wysiłku, czy kaszlu) do płuc mogą również dotrzeć cząstki większe, o średnicy ponad 10µm. Bioaerozol drobnoziarnisty przenika natomiast głębiej, aż do pęcherzyków płucnych (cząstki o średnicy 1 µm i mniejszej).

Te cząstki, które mogą przenikać w głąb płuc (do oskrzelików i pęcherzyków płucnych) określa się mianem frakcji respirabilnej. Udział frakcji respirabilnej w całości bioaerozolu jest miarą jego potencjalnej szkodliwości, ponieważ informuje o tym, jaka część bioaerozolu może przeniknąć do płuc.

69. Opisz mechanizmy obronne organizmu człowieka przed wnikaniem bioaerozolu.

Można wyróżnić dwa podstawowe mechanizmy usuwające aerozol z wdychanego powietrza:

• aparat śluzowo-rzęskowy

• fagocytoza makrofagów płuc.

Drogi oddechowe człowieka wyścielone są nabłonkiem wielorzędowym. Nabłonek ten zbudowany jest z cylindrycznych komórek zaopatrzonych w rzęski (migawki) oraz z tzw. komórek kubkowatych wytwarzających śluz pokrywający cały nabłonek. Śluz ten ma wysoką lepkość, dzięki zawartości mucyny, oraz własności bakteriobójcze, które nadaje mu m.in. lizozym - enzym rozpuszczający ściany komórkowe bakterii gramdodatnich.

Oba typy komórek stanowią funkcjonalną całość tworząc aparat śluzowo-rzęskowy. Cząstki zawarte w powietrzu najpierw przyklejają się do lepkiego śluzu, a następnie są wraz z nim wymiatane przez rzęski w kierunku jamy nosowo-gardłowej, po czym albo są wydalane na zewnątrz ze śliną, np. w czasie odkrztuszania, albo połykane. Opisany mechanizm jest zwykle skuteczny w stosunku do większych cząstek bioaerozolu gruboziarnistego.

Bioaerozol drobnoziarnisty często omija tę barierę i dostaje się do pęcherzyków płucnych. Wówczas może on być pochłonięty przez obecne tam makrofagi mające zdolność do fagocytozy.

70. Omów czynniki wpływające na stężenie drobnoustrojów w powietrzu.

O stężeniu bioaerozolu, czyli stopniu zanieczyszczenia mikrobiologicznego powietrza, decydują m.in. następujące czynniki:

- wielkość emisji drobnoustrojów, zależna od źródła emisji

- odległość od źródła emisji

- prędkość wiatru

- przeżywalność drobnoustrojów (zależna od czynników omówionych wyżej)

- opady atmosferyczne.

Wielość emisji i skład gatunkowy emitowanego bioaerozolu zależy od źródła emisji. Różne mogą być czynniki wpływające na stężenie początkowe powstającego bioaerozolu. Np. dla komory napowietrzania biologicznej oczyszczalni ścieków są to m.in.: stężenie mikroorganizmów w ściekach i sposób ich napowietrzania.

Stężenie mikroorganizmów musi być odpowiednio duże, bo w przeciwnym razie nie dojdzie do wytworzenia się bioaerozolu. Określa to tzw. próg emisji, który dla ścieków wynosi 10³ komórek w 1 cm³.

Powstały bioaerozol rozprzestrzenia się podobnie jak aerozol niebiologiczny (np. pył zawieszony) z tą różnicą, że mikroorganizmy z czasem zamierają. Wiejący wiatr rozrzedza aerozol i powoduje, że jego stężenie na zawietrznej od źródła emisji spada wraz z oddalaniem się od niego.

Dodatkowymi czynnikami zmniejszającymi stężenie bioaerozolu jest grawitacja, działające głównie na większe cząstki, i opadu atmosferyczne, niekiedy radykalnie redukujące stężenie aerozolu.

71. mikroorganizmy chorobotwórcze przenoszone drogą powietrzną i wywoływane przez nie choroby.

Można wyróżnić następujące grupy zagrożeń wiążące się z obecnością drobnoustrojów w powietrzu:

- choroby zakaźne: wirusowe, bakteryjne, grzybowe i pierwotniacze

- choroby alergiczne

- zatrucia (np. endotoksyny i mikotoksyny).

Choroby wirusowe. Cząstki wirusowe po wniknięciu, wraz z wdychanym powietrzem, do układu oddechowego, namnażają się komórkach nabłonkowych górnych i dolnych dróg oddechowych. Po namnożeniu część wirusów pozostaje w układzie oddechowym wywołując tam różnorodne zmiany chorobowe (katar, przeziębienia, zapalenie oskrzeli, zapalenie płuc), część natomiast opuszcza układ oddechowy, atakując inne organy (np. wirusy ospy wietrznej atakują skórę). Do ważniejszy chorób wirusowych należą: grypa (ortomyxowirusy), grypa rzekoma, świnka, odra, zapalenie oskrzelików i płuc u niemowląt (paramyxowirusy), różyczka (wirusy zbliżone do paramyxowirusów), choroby przeziębieniowe (rinowirusy i koronawirusy), krowianka i ospa prawdziwa (wirusy grupy ospy), ospa wietrzna (wirusy grupy opryszczki), pryszczyca (wirusy grupy picorna), zapalenie opono mózgowo-rdzeniowych, pleurodynia (enterowirusy), choroby układu pokarmowego i oddechowego (reowirusy), zapalenie gardła, zapalenie płuc (adenowirusy).

Choroby bakteryjne. Podobnie jak w przypadku wirusów, część bakterii dostających się do układu oddechowego może również wywoływać schorzenia innych układów. Szczególnie różnorodne postacie kliniczne przybierają zakażenia gronkowcowe (martwica skóry, zapalenie szpiku, jelit czy płuc). Często podatny grunt do rozwoju chorób bakteryjnych przygotowują choroby wirusowe, np. gronkowcowe zapalenie płuc zwykle jest poprzedzone grypą lub odrą. Do chorób bakteryjnych przenoszonych drogą powietrzną należą m.in.: gruźlica płuc (prątki gruźlicy Mycobacterium tuberculosis), zapalenie płuc (gronkowce, pneumokoki Streptococcus pneumoniae, rzadziej pałeczki Klebsiella pneumoniae), angina, płonica, zapalenie gardła (paciorkowce), ropne zapalenia górnych i dolnych dróg układu oddechowego i zapalenie opon mózgowych (pleomorficzne pałeczki Haemophilus influenzae), krztusiec pałeczki (pałeczki Bordetella pertussis), błonica (maczugowiec błonicy Corynebacterium diphteriae), legionelloza (pałeczki z rodzaju Legionella, m.in. L. pneumophila), nokardioza (tlenowe promieniowce z rodzaju Nocardia).

Choroby grzybowe. Wiele potencjalnie patogennych grzybów przenoszonych przez powietrze to mikroorganizmy geofilne, a więc żyjące w glebie saprofity. Mają one zwykle zdolność do keratynolizy, czyli rozkładu keratyny – trudnorozkładalnego białka obecnego w zrogowaciałych wytworach naskórka, np. we włosach, piórach, sierści czy pazurach, które często znajdują się w glebie. Część grzybów keratynolitycznych, zwana dermatofitami, po dostaniu się na powierzchnię skóry powoduje grzybice powierzchniowe, czyli dermatozy, ponieważ rozkład keratyny umożliwia im penetrację struktur naskórka. Inne grzyby, po wniknięciu w głąb układu oddechowego, wywołują tzw. grzybice głębokie (narządowe) np. atakując płuca. Przykładem chorób grzybowych i wywołujących je grzybów przenoszonych drogą powietrzną są: grzybice powierzchniowe (Microsporum racemosum), grzybice głębokie: aspergilloza (kropidlak popielaty Aspergillus fumigatus), kryptokokkoza (drożdżak Cryptococcus neoformans).

Choroby pierwotniacze. Niektóre pierwotniaki, zdolne do wytwarzania cyst odpornych na wysychanie i promieniowanie słoneczne, mogą również zakażać człowieka drogą wziewną. Najbardziej znanym przykładem jest sporowiec Pneumocystis carinii, wywołujący śródmiąższowe zapalenie płuc.

72. Bioaerozol jako czynnik alergiogenny.

Choroby alergiczne. Alergia to zmieniona, nadmierna reakcja organizmu na obecność pewnych substancji, zwanych alergenami. Jest to w istocie reakcja immunologiczna, w której dochodzi do zbędnej produkcji przeciwciał przez limfocyty B jako nadwrażliwej odpowiedzi na wniknięcie antygenu, zwanego tu alergenem. Nadmiernie wytworzone immunoglobiny łączą się z alergenem, co powoduje m.in.:

- uwalnianie się z granulocytów i tzw. komórek tucznych, różnych związków (np. histaminy), które wywołują reakcje zapalne w postaci astmy oskrzelowej albo kataru siennego;

- tworzenie się obfitych strątów uszkadzających tkankę w miejscu ich powstania, co powoduje choroby alergiczne określane wspólną nazwą – alergiczne zapalenie pęcherzyków płucnych (np. tzw. „płuco farmera”, czy „płuco hodowcy grzybów”).

Wiele drobnoustrojów jest alergenami. Oprócz nich, czynnikami uczulającymi są też pyłki roślin wiatropylnych (np. traw, pokrzyw, komosy), drobne pajęczaki (roztocza) oraz pył pochodzenia biologicznego, np. cząstki piór, sierści czy odchodów. Mikroorganizmy różnią się siłą działania alergizującego. Najsilniejszymi alergenami są grzyby pleśniowe, termofilne promieniowce oraz pałeczki gramujemne. Siła działania uczulającego bioaerozolu zależy jednak nie tylko od rodzaju drobnoustrojów, ale też od ich zagęszczenia.

Rodzaj reakcji alergicznych wywoływanych przez aerozol biologiczny zależy od rodzaju tworzących go alergenów oraz, w dużym stopniu, od wielkości ich cząstek, ponieważ determinuje ona stopień penetracji układu oddechowego.

Cząstki powyżej 10 μm, zatrzymywane w jamie nosowo-gardłowej, powodują katar sienny (np. zarodniki grzyba Altenaria, pyłki traw). Cząstki o średnicy 4-10 μm, zatrzymywane w oskrzelach, powodują astmę oskrzelową (np. zarodniki grzyba Cladosporium). Cząstki poniżej 4 μm, przenikające do oskrzelików i pęcherzyków płucnych, wywołują alergiczne zapalenie pęcherzyków płucnych (zarodniki grzybów Aspergillus i Penicillium, większość bakterii, w tym termofilne promieniowce).

73. Omów toksyny występujące w powietrzu i sposób ich wykrywania.

Zatrucia. Zatrucia powodują toksyny produkowane przez niektóre drobnoustroje. Jako zanieczyszczenia powietrza najważniejsze są endotoksyny i mikotoksyny.

Endotoksyny są składnikiem ściany komórkowej bakterii gram ujemnych (lipid A, fragment lipo polisacharydu LPS błony zewnętrznej). Wykazują one działanie toksyczne i alergiogenne na organizmy ssaków. Są termostabilne i zachowują aktywność biologiczną również w komórkach martwych. Po wniknięciu drogą wziewną, wywołują ostre odczyny zapalne w płucach, wysoką gorączkę i ból głowy. Mogą również powodować podrażnienie oczu. Endotoksyny są uważane za poważny czynnik zagrożenia zawodowego u osób narażonych na wdychanie pyłów organicznych, np. pyłu zbożowego (gorączka zbożowa). W pyłach tych występuje bowiem licznie niewielka pałeczka Ervinia herbicola wytwarzająca bardzo aktywną biologicznie endotoksynę.

Mikotoksyny są produkowane przez różnorodne grzyby pleśniowe. Najbardziej znane są aflatoksyny wytwarzane m.in. przez kropidlaka żółtego (Aspergillus flavus). Związki te wykazują silnie działanie toksyczne, mutagenne, kancerogenne (rakotwórcze) i teratogenne (powodujące wady rozwojowe). Najczęściej są one przyczyną zatruć pokarmowych, ale wykazano również, że wdychanie pyłów zawierających aflatoksyny może powodować nowotwory wątroby oraz układu oddechowego.

Wykrywanie toksyn w powietrzu. Wykrywanie toksyn i alergenów występujących w powietrzu wymaga często żmudnych badań. Badanie na ich obecność opiera się przede wszystkim na wywoływaniu reakcji immunologicznej z użyciem przeciwciał skierowanych przeciwko znanym antygenom (np. antygen 0) oraz badaniach chromatograficznych, np. w przypadku mikotoksyn. Wykrywanie endotoksyn występujących w powietrzu wymaga podjęcia następujących działań: przefiltrowania powietrza przez filtr membranowy (z włókna szklanego lub PCV), rozcieńczania odfiltrowanych komórek z preparatem z krwi skrzypłocza z dodatkiem substancji chromogennej, wykonania pomiaru wytworzonej luminescencji.

Skrzypłocz (Limulus polyphemus) jest morskim stawonogiem spokrewnionym z pajęczakami, który żyje u wybrzeży Ameryki Północnej. Znany jest m.in. z niezwykłego systemu immunologicznego. Komórki jego krwi (amebocyty) po zetknięciu się ze ścianą komórkową bakterii gramujemnych (zawierającą endotoksynę) wydzielają enzym powodujący koagulację pewnych białek krwi i powstanie skrzepu unieruchamiającego bakterie. Aktywacja enzymu koagulującego przez endotoksynę jest reakcją bardzo czułą. W badaniach powietrza stosuje się produkowany przemysłowo lizat amebocytów skrzypłocza, określany skrótem LAL z dodatkiem substancji chromogennej wykazującej luminescencję w przypadku wytworzenia się skrzepu, czyli w obecności endotoksyn. Pomiar luminescencji umożliwia ilościowe określenie zawartości endotoksyn w badanym powietrzu.

74. mikotoksyny – przykłady, właściwości i gatunki pleśnie wytwarzające te związki

Mykotoksyny (mikotoksyny; z gr. μύκής mykes - grzyby) - toksyny wytwarzane przez niektóre gatunki grzybów (pleśni) z rodzajów:Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Rhizoctonia, Claviceps i Stachybotrys. Optymalna temperatura w jakiej tworzą się mykotoksyny oscyluje w granicach 20-25 °C. Źródłem mykotoksyn są najczęściej zakażone produkty żywnościowe, toksynotwórcze pleśnie mogą także namnażać się w budynkach. Często są to substancje rakotwórcze i mutagenne; m.in. hamują syntezę DNA oraz powodują zmiany w metabolizmie RNA. Mykotoksyny mogą być przyczyną ostrych i przewlekłych zatruć (także śmiertelnych^[1]), mogą powodować alergie, grzybice, choroby układu oddechowego, pokarmowego i wątroby, a także liczne choroby związane z osłabieniem układu odpornościowego. Do mykotoksyn zalicza się m.in. aflatoksyny, ochratoksyny (m.in. ochratoksynę A), patulinę i kwas aspergilowy.

75. bytowe źródła bioaerozolu

Można wyróżnić dwa podstawowe źródła bioaerozolu: naturalne i bytowe (związane z działalnością człowieka).

Z higienicznego punktu widzenia, ważniejsze od naturalnych są bytowe źródła bioaerozolu, związane z działalnością człowieka. Emisje z tych źródeł są niebezpieczne z dwóch powodów: mogą rozprzestrzeniać drobnoustroje patogenne (chorobotwórcze) oraz często powodują silne zwiększenie liczebności mikroorganizmów w powietrzu, znacznie przekraczające naturalne tło.

Źródła emisji aerozolu biologicznego mogą mieć charakter punktowy (np. komora napowietrzania ścieków) lub powierzchniowy (np. pole nawadniane ściekami). Do najważniejszych źródeł bioaerozolu należą: rolnictwo i przemysł rolno-spożywczy, oczyszczanie ścieków, gospodarka odpadami. Rolnictwo i przemysł rolno-spożywczy. Pod względem wielkości emisji jest to najpoważniejsze źródło bioaerozolu, będące efektem intensyfikacji metod produkcji rolnej. Aerozol powstaje podczas wykonywania większości prac rolniczych, np. zbioru plonów, w czasie transportu, przechowywania i przerobu surowców roślinnych i zwierzęcych, oraz w pomieszczeniach hodowlanych. Zagrożenie dla zdrowia człowieka stwarza tu olbrzymia ilość mikroorganizmów, produktów ich rozkładu i pyłu organicznego, które działają głównie alergicznie i toksycznie. Obecność drobnoustrojów zakaźnych ma tu mniejsze znaczenie. Do najważniejszych składników tego aerozolu należą: grzyby pleśniowe, m.in. tzw. grzyby przechowalniane (Aspergillus, Penicillium) i tzw. grzyby polowe (Cladosporium i Alternaria); pałeczki gramujemne, głównie z rodzaju Ervinia; promieniowce termofilne; pył pochodzenia biologicznego (m.in. fragmenty naskórka, pierza, cząstki wydalin i pył roślinny). Ekspozycja na taki aerozol często powoduje przewlekłe choroby układu oddechowego, np. alergiczne zapalenie pęcherzyków płucnych (alveolitis allergica). Uważa się, że szczególne zagrożenie dla zdrowia powstaje, gdy ponad 50% aerozolu należy do frakcji respirabilnej, a stężenie bioaerozolu przekracza 10⁵ cfu/m³. Wielkość ta jest często przekraczana ponad stukrotnie (np. w chlewniach, brojlerniach czy spichrzach zbożowych).

76. mikroogranizmy wskaźnikowe sanitarnej analizy powietrza- Wymień i omów.

Do stosowanych w sanitarnej analizie powietrza mikroorganizmów wskaźnikowych należą m. in.: gronkowce hemolizujące, gronkowce mannitolododatnie i mannitoloujemne, promieniowce i pałeczki Pseudomonas fluorescens.

Gronkowce to jedne z najpospolitszych bakterii w przyrodzie. Nie wszystkie są chorobotwórcze, wiele z nich występuje na skórze i błonie śluzowej człowieka nie powodując chorób. Gatunki chorobotwórcze wykazują wysoką aktywność metaboliczną, dzięki której można je odróżnić od niechorobotwórczych.

Gronkowce chorobotwórcze wywołują m. in.:

- całkowitą hemolizę krwinek czerwonych (erytrocytów) na agarze z krwią - hemoliza polega na rozkładzie erytrocytów przez pewne toksyny produkowane przez bakterie, co przejawia się powstawaniem charakterystycznych przejaśnień wokół kolonii;

- kwaśną fermentację mannitolu na podłożu Chapmana – podłoże Chapmana zawiera 10% NaCl, co powoduje, że wyrastają na nim głównie gronkowce, odporne na duże stężenie soli. Obecność w podłożu mannitolu (wielowodorotlenowego alkoholu) pozwala zróżnicować gronkowce na mannitolododatnie (zdolne do fermentacji mannitolu) i mannitoloujemne (niezdolne).

Stwierdzenie hemolizy i fermentacji mannitolu zwiększa prawdopodobieństwo, że wykryte gronkowce są chorobotwórcze.

Promieniowce to typowe bakterie glebowe. Ich obecność w powietrzu może wskazywać na środowisko glebowe jako źródło zanieczyszczenia powietrza. W przeciwieństwie do innych bakterii, komórki promieniowców mają często postać rozgałęziających się nitek i mogą tworzyć tzw. pseudogrzybnię, podobnie jak strzępki grzybów. Z tego powodu wytwarzają one charakterystyczne meszkowate kolonie na podłożu Pochona.

Bakteria Pseudomonas fluorescens jest pospolitą bakterią wodną. Jej obecność w powietrzu może wskazywać na środowisko wodne jako źródło zanieczyszczenia. Na podłożu Kinga B wytwarza ona barwniki fluoryzujące powodujące świecenie kolonii w świetle UV.

77. Metoda sedymentacyjna i zderzeniowa badania bioaerozolu. Zalety i wady. Zasada działania aparatu Andersena

Metoda sedymentacyjna

Jest to najprostsza metoda i polega na opadaniu komórek z powietrza na odkryte szalki Petriego z odpowiednią pożywką. Siła grawitacji działająca na cząstki bioaerozolu ma znaczenie jedynie w stosunku do większych cząstek, natomiast mniejsze uderzają w eksponowaną pożywkę pod wpływem ruchów powietrza. Po określonym czasie ekspozycji (zwykle 10 lub 30 min.) płytki inkubuje się i liczy wyrosłe kolonie.

Zaletą tej popularnej metody jest, oprócz prostoty, jej poręczność i taniość. Można ją jednak stosować jedynie do orientacyjnego określania liczby mikroorganizmów w powietrzu, oraz do badań porównawczych, ponieważ ma ona szereg wad. Należą do nich:

• nieznajomość objętości powietrza, do której należy odnieść stwierdzoną wartość jtk (cfu),

• niemożność wykrycia najdrobniejszych cząstek, które osiadają bardzo wolno lub w ogóle nie ulegają sedymentacji (niska wydajność metody),

• duża niedokładność, powodowana przez ruchy powietrza zmieniające warunki sedymentacji.

Metody zderzeniowe

Polegają one na zasysaniu przez aspirator znanej objętości powietrza, które z dużą szybkością uderza w powierzchnię pożywek agarowych. Powoduje to przyklejanie się obecnych w powietrzu drobnoustrojów, które po określonym czasie inkubacji wytwarzają kolonie. Metody zderzeniowe, zwane też impakcyjnymi (od ang. impact - zderzenie) są najwyżej cenionymi i coraz częściej stosowanymi metodami wykrywania mikroorganizmów w powietrzu. Ich największą zaletą jest możliwość wykrycia i określenia wielkości frakcji respirabilnej. Poza tym metody te nadają się do badania wirusów.

Wadą metod zderzeniowych jest spadek żywotności drobnoustrojów spowodowany szokiem związanym z nagłym uderzeniem o pożywkę agarową oraz możliwość zarastania pożywek w przypadku silnego zanieczyszczenia powietrza. Poza tym zwykle nie są to metody tanie.

Aparat Andersena- aparat filtracyjny, służy do oczyszczania powietrza.

78. Na czym polega mikrobiologiczna ocena stanu sanitarnego powietrza?

Ocena stanu sanitarnego powietrza obejmuje aspekt ilościowy i jakościowy, i zależy od rodzaju ocenianego powietrza. Inne kryteria stosuje się do powietrza atmosferycznego, a inne do powietrza wewnątrz różnego typu pomieszczeń. Wartości bezpiecznych stężeń podawane przez różnych autorów różnią się.

Według norm przyjętych w Polsce powietrze atmosferyczne jest czyste, jeśli zagęszczenie komórek bakterii nie przekracza 1000 jtk/m³, a grzybów 3000 jtk/m³. Oczywiście pod warunkiem, że są to mikroorganizmy saprofityczne, a nie chorobotwórcze.

Wewnątrz pomieszczeń mieszkalnych ogólna liczba bakterii nie powinna przekraczać 2000 jtk/m³, a grzybów 300 jtk/m³.

Jeśli zagęszczenie mikroorganizmów przekracza podane wartości, lub w skład aerozolu wchodzą drobnoustroje niebezpieczne dla człowieka, to takie powietrze uważa się za zanieczyszczone mikrobiologicznie.

Dla pomieszczeń użytkowych dopuszczalne wartości graniczne zależą od ich przeznaczenia, np. na sali operacyjnej nie może być w ogóle grzybów a liczba bakterii nie może przekraczać 100 cfu/m³. Natomiast np. w chlewni dopuszcza się stężenie bakterii wynoszące 200000 cfu/m³, a grzybów 10000 cfu/m³.

Bardzo ważna z higienicznego punktu widzenia jest znajomość wielkości frakcji respirabilnej bioaerozolu. Im większy jest jej udział procentowy, tym większe zagrożenie dla zdrowia stwarza powietrze, nawet jeśli nie ma w nim mikroorganizmów wywołujących choroby zakaźne. Wdychanie takiego powietrza może bowiem być powodem alergii, zatruć i pylic.

Badania jakościowe z konieczności muszą być ograniczone do mikroorganizmów wskaźnikowych, bowiem identyfikacja drobnoustrojów chorobotwórczych jest zwykle żmudna i droga. Gatunki wskaźnikowe same nie muszą być chorobotwórcze, ale ich występowanie wskazuje pośrednio na potencjalne zagrożenie mikroorganizmami patogennymi.

79. Mikroflora autochtoniczna i zymogeniczna gleby.

Mikroflora autochtoniczna. Drobnoustroje autochtoniczne czerpią energię z rozkładu materii organicznej powodując jej mineralizację. Przedstawicielami tej grupy w glebie są najczęściej drobnoustroje, dla których źródło węgla i energii stanowią substancje humusowe, tj. związki powstałe z rozkładu i przetworzenia materii organicznej pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. Przedstawicielami tej grupy są najczęściej tlenowe nieprzetrwalnikujące bakterie z rodzaju Arthrobacter oraz prątki z rodzaju Mycobacterium. Stałymi mieszkańcami gleby są także promieniowce z rodzaju Streptomyces i Nocardia oraz bakterie śluzowe (Myxobacteriales). Dla gleby, choć nie tylko dla niej, charakterystyczne są bakterie wiążące azot atmosferyczny, bakterie nitryfikacyjne. Pospolite są także tlenowe laseczki przetrwalnikujące z rodzaju Bacillus i beztlenowe z rodzaju Clostridium.

Mikroflora zymogeniczna. Drobnoustroje zymogeniczne wprowadzane są do gleb okresowo. Pochodzą one z wprowadzanych do gleb ścieków, odpadów komunalnych i przemysłowych oraz z odpadów powstających w hodowli zwierząt (np. obornik i gnojówka), Są to organizmy o dużych wymaganiach odżywczych, których rozwój uzależniony jest od dopływu świeżej, łatwo przyswajalnej materii organicznej. Bakterie zymogeniczne bytujące w glebie to głównie gramujemne pałeczki z rodziny Enterobacteriaceae oraz z rodzaju Pseudomonas, Achromobacter, Flavobacterium.

80. Parametry służące do oceny jakości mikrobiologiczno- parazytologicznej gleby.

Zakres analizy mikrobiologicznej gleby pod względem sanitarnym powinien obejmować:

- oznaczenie obecności w glebie bakterii chorobotwórczych z rodzaju Salmonella. W glebie przeznaczonej do celów rolniczych nie mogą się znajdować bakterie należących do tego rodzaju

- badania helmintologiczne polegające na określeniu liczby żywych jaj robaków jelitowych: glisty ludzkiej (Ascaris lumbricoides), glisty psiej (Toxocara sp.), włosogłówki (Trichuris trichiura), określeniu stadium ich rozwoju oraz stopnia odporności na różne warunki mikroklimatyczne.

Ponadto badania uzupełnić można o oznaczenia:

- ogólnej liczby bakterii – wykonywane na podłożu agarowym, temperatura - , czas inkubacji –48 h,

- bakterii przetrwalnikujących (sporowych) – podłoże agarowe, temperatura , czas inkubacji–48 h,

- bakterii termofilnych – podłoże agarowe, temperatura , czas inkubacji–24 h.

- liczebności bakterii wskaźnikowych: pałeczek grupy coli, pałeczek grupy coli typu fekalnego (termotolerancyjnych), głównie pałeczki okrężnicy (Escherichia coli), laseczek Clostridium perfringens.

81. Cykl życiowy glisty ludzkiej, psiej i włosogłówki

Glista ludzka-Dorosłe samice żyją w jelicie cienkim. Składają dziennie do 200 tysięcy jaj, które z kałem żywiciela wydostają się na zewnątrz. Po kilku tygodniach w jajach rozwijają się larwy i w takiej postaci czekają na połknięcie przez żywiciela. Ponieważ glista jest pasożytem monoksenicznym (występują tylko u jednego żywiciela), kolejnym żywicielem jest również człowiek. W jelicie człowieka larwy wydostają się z osłon jajowych. Uwolnione larwy przez ścianki jelita przedostają się do naczyń krwionośnych i rozpoczynają wędrówkę do płuc. Jest to konieczne, ponieważ do dalszego rozwoju potrzebują tlenu. Docierają więc do pęcherzyków płucnych. Tam dwukrotnie linieją. Po osiągnięciu 2 mm długości zaczynają wędrówkę w górę przez oskrzeliki, oskrzela, tchawicę do krtani, skąd odruchowo przełknięte, dostają się do żołądka i stąd do jelita. Tu dorastają. Po ok. 2 miesiącach od zakażenia zaczynają w jelicie rozmnażać się płciowo. Choroba spowodowana przez glisty nosi nazwę glistnicy i objawia się najczęściej ogólnym osłabieniem, zawrotami głowy, obrzękami twarzy, nadmierną pobudliwością chorego i reakcjami alergicznymi. Gdy zakażenie jest masowe, może dochodzić do całkowitego braku drożności jelit. Glistą można się zarazić jedząc niedomyte warzywa, które były nawożone ludzkimi fekaliami, lub pijąc zanieczyszczoną wodę (np. w czasie kąpieli w jeziorze, rzadziej basenie).

Glista psia- Cykl rozwojowy zbliżony do glisty ludzkiej przebiega u żywicieli specyficznych. Człowiek jest tylko przypadkowym żywicielem. Najczęściej zarażane są młode psy (do 5 tyg.) – pasożyt pokonuje w ich organizmie całą drogę rozwoju (jelito cienkie – żyła wrotna – wątroba – prawa część serca – tętnica płucna – płuca – pęcherzyki płucne – oskrzela – tchawica – gardło – przełyk – żołądek – jelito cienkie). U dorosłych psów zarażenie przebiega nieco inaczej – larwa stadium L2 wraz z prądem krwi dużego obiegu trafia do różnych narządów, gdzie ulega otorbieniu. W przypadku ciężarnej suki larwy podejmują ponowną wędrówkę, by trafić do łożyska. Następuje wtedy śródmaciczne zarażenie szczeniąt. Larwy mogą przedostawać się także do gruczołów mlekowych karmiącej suki – zarażenie laktogenne.

Jaja występują w glebie oraz osadach ściekowych. Jeśli przedostaną się do organizmu człowieka, wówczas wylęgają się larwy i przenikają przez ściany układu pokarmowego. Organizm człowieka nie jest sprzyjający.

Kumulują się w wątrobie, powodują zapalenia. Gatunek kosmopolityczny. Nie osiąga w organizmie człowieka dojrzałości. Zarażeniu ulegają najczęściej dzieci.

Włosogówka- Samica składa około 3 tys. jaj. Jaja wydostają się wraz z kałem do wody lub gleby, gdzie dojrzewają w ciągu kilku tygodni. Zakażenie następuje przez spożycie pokarmu lub wody zanieczyszczonej jajami. Jaja w przewodzie pokarmowym (jelito cienkie kręte) żywiciela uwalniają larwy. Dojrzewają w ciągu miesiąca, po czym przedostają się do jelita grubego.

82. Bakterie chorobotwórcze w glebie.

W glebie zanieczyszczonej odchodami czy szczątkami zwierząt i roślin mogą występować drobnoustroje chorobotwórcze (patogenne). Spośród bakterii szczególnie niebezpieczne dla człowieka są pałeczki duru brzusznego z rodzaju Salmonella i pałeczki czerwonki – Shigella., beztlenowe laseczki wywołujące tężec – Clostridium tetani, zgorzel gazową – Clostridium perfringens, zatrucia pokarmowe – Clostridium botulinum oraz tlenowe laseczki wąglika – Bacillus anthracis, a także prątki – Mycobacterium tuberculosis.

Ponadto do bakterii chorobotwórczych występujących w glebie zalicza się niektóre promieniowce wywołujące tzw. promienicę. Grzyby są przyczyną zakażeń skóry i tkanek wewnętrznych, a organizmy zwierzęce jak pierwotniaki i robaki – chorób głównie przewodu pokarmowego. Szczególną uwagę należy zwrócić na możliwość występowania w glebie jaj robaków pasożytniczych np. glisty ludzkiej. Jej jaja przechodzą w glebie okres dojrzewania i wykazują dużą odporność na działanie czynników zewnętrznych. Podobnie jak endospory bakterii, zarodniki grzybów i cysty pierwotniaków, mogą przez długi okres czasu bytować w glebie i stanowić zagrożenie dla człowieka

83. Biologiczne oczyszczanie ścieków: metody naturalne.

Biologiczne oczyszczanie ścieków opiera się na naturalnych procesach samooczyszczania, które zachodzą w każdym zbiorniku wodnym oraz w glebie, głównie dzięki aktywności drobnoustrojów. Jednak zdolności samooczyszczania są często niewystarczające do unieszkodliwienia tak dużych ilości ścieków, jakie powstają w wyniku działalności człowieka. Dlatego w biologicznym oczyszczaniu dużych ładunków zanieczyszczeń intensywność procesów samooczyszczania musi być zwielokrotniona metodami inżynieryjnymi. Metody oczyszczania wykorzystujące specjalne urządzenia intensyfikujące te naturalne procesy określa się jako sztuczne, natomiast metody oparte wyłącznie na procesach samooczyszczania nazywane są metodami naturalnymi. Część naturalnych sposobów oczyszczania ścieków ma charakter pośredni ze względu na pewien stopień ingerencji człowieka w proces. Metody naturalne. Do naturalnych metod oczyszczania ścieków zalicza się nawadnianie pól, łąk i lasów, stawy ściekowe oraz oczyszczalnie hydrobotaniczne. Oczyszczanie w gruncie. Biologiczne oczyszczanie w gruncie polega na nawadnianiu pól ściekami. Ścieki przed wprowadzeniem na pola nawadniane są oczyszczane mechanicznie (kraty, piaskownik, osadnik wstępny) i zdezynfekowane, gdyż ze względów sanitarnych, ścieki przed wylaniem muszą być pozbawione jaj robaków (helmintów). Ścieki wylane na pola wsiąkają w grunt i zawarte w nich zanieczyszczenia są adsorbowane na cząstkach gleby. Zaadsorbowane związki organiczne oraz mikroorganizmy tworzą po pewnym czasie mikroskopijną błonę biologiczną wokół cząstek gleby i wierzchnia warstwa gruntu działa jak filtr biologiczny. W warstwie tej zachodzą procesy mineralizacji, a produkty końcowe mineralizacji stanowią składniki nawozowe gleby. Stawy ściekowe. Stawy biologiczne to zbiorniki ziemne, w których oczyszczanie biologiczne ścieków zachodzi w sposób naturalny (przy wykorzystaniu mikroorganizmów). Są to naturalne lub sztuczne zagłębienia w terenie, w których światło słoneczne dociera do dna. Ścieki przed wprowadzeniem do stawu wstępnie pozbawia się zawiesin. Oczyszczalnie hydrobotaniczne. Opierają się na wykorzystaniu procesów samooczyszczania zachodzących w ekosystemach podmokłych, należą, więc do systemów bagiennych. Oczyszczanie jest tu wynikiem współdziałania mikroorganizmów glebowych i roślinności bagiennej. Mikroorganizmy rozkładają związki organiczne zawarte w ściekach do związków nieorganicznych, natomiast rośliny przyswajają pozostałe związki mineralne, tworząc biomasę roślinną. W oczyszczalniach tego typu wykorzystuje się roślinność oczeretowi (trzcina, pałka, wierzba wiciowa) o dużych wymaganiach pokarmowych, pochłaniającą duże ilości soli mineralnych. Dzięki temu rośliny odsalają ścieki i nie dopuszczają do eutrofizacji zbiorników wodnych.

84. Biologiczne oczyszczanie ścieków: metody sztuczne.

Do sztucznych biologicznych metod oczyszczania należą: złoża biologiczne i osad czynny. Sztuczne metody biologicznego oczyszczania ścieków, podobnie jak naturalne, wykorzystują procesy samooczyszczania zachodzące w naturze, jednak ze zwielokrotnioną intensywnością. Np. procesy przebiegające w złożach biologicznych przypominają samooczyszczanie w glebie (udoskonalone „filtry gruntowe”), a metoda osadu czynnego opiera się na podobnych zjawiskach zachodzących w środowisku wodnym (ulepszone „stawy ściekowe”).

85. Złoża biologiczne.

Oczyszczanie ścieków na złożach biologicznych odbywa się w zbiornikach wypełnionych luźno usypanym materiałem ziarnistym i porowatym. Ścieki za pomocą zraszaczy są rozpryskiwane na górną powierzchnię złoża i spływają następnie przez wypełniający go materiał. Na materiale stałym, z którego zbudowane jest złoże wytwarza się błona biologiczna stanowiąca śluzowatą warstewkę złożoną z mikroorganizmów takich jak: bakterie (głównie bakterie tlenowe), pierwotniaki, grzyby. Złoże stałe to gruboziarnisty materiał porowaty: tłuczeń, koks, żużel wielkopiecowy, tuf wulkaniczny, tworzywa sztuczne i inne materiały odporne na wpływy atmosferyczne. Biomasa, która bierze udział w procesie rozkładu związków organicznych jest biomasą osiadłą na podtrzymującym materiale porowatym. Praca złoża polega na stałym doprowadzaniu ścieków i ich przepływie przez złoże w kontakcie z błoną biologiczną, podczas którego zachodzi mineralizacja zanieczyszczeń na skutek tlenowego rozkładu przez mikroorganizmy i odpływ ze złoża oczyszczonego ścieku. Błona biologiczna jest początkowo utworzona z bakterii zooglealnych produkujących śluzowate otoczki. Z czasem skład gatunkowy błony zmienia się w wyniku sukcesji. Obok bakterii pojawiają się grzyby, pierwotniaki, wrotki, pierścienice i larwy much.

86. Mikroorganizmy osadu czynnego.

Osad czynny jest metodą oczyszczania, w której elementem oczyszczającym są bakterie zlepione w kłaczki zawieszone w środowisku płynnym (ścieki). Bakterie tworzące kłaczki nie są jedynymi organizmami występującymi w osadzie czynnym. Oprócz bakterii występują tu liczne pierwotniaki i wrotki, rzadziej robaki, pierścienice i grzyby. Biocenoza osadu czynnego ma charakter heterotroficzny.

Bazą pokarmową całego zespołu organizmów jest materia organiczna dopływająca wraz ze ściekami. Pierwszy poziom troficzny tworzą bakterie heterotroficzne, grzyby i pierwotniaki saprotroficzne (korzenionóżki i wiciowce), które odżywiają się materią organiczną w postaci roztworów i zawiesin. Drugi poziom stanowią pierwotniaki holozoiczne (gr. holos - cały) odżywiające się całymi mikroorganizmami. Należą tu orzęski. Wreszcie, najwyższy poziom troficzny zajmują orzęski drapieżne (zwłaszcza osiadłe gatunki z grupy Suctoria, które zjadają pierwotniaki bakteriożerne) , a także bezkręgowce takie, jak wrotki, robaki z grupy nicieni i in.

87. Sukcesja biocenozy w osadzie czynnym.

Sukcesja mikroorganizmów podczas hodowli osadu czynnego. Organizmy obecne we wpracowanym osadzie czynnym tworzą zespół, który powstał w wyniku procesu sukcesji. Początkowo w ściekach obecne są głównie bakterie, wiciowce (Zooflagellata) i korzenionóżki (ameby) (Rhizopoda), a więc organizmy odżywiające się materią organiczną zawartą w ściekach. Z czasem pojawiają się orzęski (Ciliata) zjadające bakterie i drapieżne. Z orzęsków najwcześniej rozwijają się formy wolno pływające, pożerające bakterie, które nie zlepiły się jeszcze w kłaczki (nie sflokulowane). W następnym etapie, gdy proces flokulacji jest już zaawansowany, pojawiają się formy osiadłe orzęsków (przyczepione do kłaczków). W ostatnim etapie rozwijają się wrotki (Rotatoria).

Znajomość przemian sukcesyjnych w osadzie oraz właściwości biologicznych mikroorganizmów jest przydatna w ocenie pracy oczyszczalni. Służy do tego analiza mikroskopowa próbki osadu, obejmująca, oprócz opisu wyglądu kłaczków, również badanie składu mikrofauny. Stwierdzenie dużej liczebności wiciowców i ameb (korzenionóżek), a więc pierwotniaków pionierskich, świadczy o przeciążeniu osadu i jego niedotlenieniu (a więc o warunkach przypominających początkowe etapy rozwoju osadu). Występowanie orzęsków natomiast, zwykle świadczy o dobrej pracy osadu. Dotyczy to zwłaszcza form osiadłych. Orzęski bakteriożerne wywierają stałą presję na populacje bakteryjne, które pobudzane są przez to do ciągłych podziałów. Wynikiem tego jest odmładzanie się flory bakteryjnej i jej zwiększona aktywność metaboliczna. Poza tym orzęski przyczyniają się do klarowania ścieków zjadając nie sflokulowane bakterie. Obecność w osadzie wrotków zwykle świadczy o dobrym natlenieniu osadu i jego stabilizacji.

88. morfologia kłaczka

Wielkość kłaczków jest istotną cechą wpływającą na efektywność oczyszczania. Zależą od niej dwa ważne procesy: biosorpcja (pochłanianie zanieczyszczeń ) i sedymentacja (opadanie kłaczków). Biosorpcja jest etapem poprzedzającym biodegradację i zależy od wielkości powierzchni kłaczków. Powierzchnia ta jest tym większa, im kłaczki są mniejsze. Jednak zbyt małe kłaczki, choć mają dużą powierzchnię sorpcyjną, źle opadają w osadniku wtórnym. Może to prowadzić do wtórnego zanieczyszczenia odbiornika, do którego odprowadza się oczyszczone, ale nie oddzielone od kłaczków ścieki. Natomiast kłaczki zbyt duże, choć świetnie sedymentują, to jednocześnie słabo oczyszczają ścieki. Wynika to z faktu, że bakterie umieszczone w centralnej części dużego kłaczka mają utrudniony dostęp do tlenu i zanieczyszczeń będących substratem pokarmowym. Kłaczki muszą więc wykazywać właściwy stan rozdrobnienia zapewniający odpowiednie warunki tlenowe i pokarmowe. Kształt kłaczków jest cechą, która może wskazywać na pewne niekorzystne zjawiska w osadzie. Np. kształt gwiaździsty, pierzasty czy siatkowaty wiążą się zwykle z obecnością mikroorganizmów nitkowatych (głównie bakterii i grzybów), których obecność w osadzie jest niepożądana, gdyż powodują jego puchnięcie. Struktura kłaczka może być spoista bądź luźna. W warunkach niedotlenienia lub braku pokarmu kłaczki przybierają formę zbitych, obłonionych tworów koloru szarego. Obecność takich kłaczków w osadzie powoduje spadek jego aktywności. Wiele różnych czynników powoduje rozluźnienie kłaczków. Należą do nich: rozwój form nitkowatych, nadmiar lub niedostatek tlenu, przeciążenie osadu lub warunki głodowe.

89. Puchnięcie osadu czynnego.

Niekorzystnym zjawiskiem obniżającym zdolności sedymentacyjne kłaczków jest puchnięcie osadu czynnego. Z puchnięciem mamy do czynienia, gdy zwiększa się objętość osadu przy zachowaniu tej samej masy. Liczbowo wyraża to indeks osadu, który przedstawia objętość (w cm³) jednego grama jego suchej masy. Indeks wyraża więc gęstość osadu, lub stopień uwodnienia. Jeden gram suchej masy dobrze pracującego osadu czynnego ma zwykle objętość 67 cm³ (indeks = 67 cm³/g). Indeks osadu spuchniętego mieści się w granicach od 100 - 400 cm³/g. Spuchnięty osad jest co prawda bardzo aktywny (duża powierzchnia biosorpcyjna), jednak z powodu obniżonej opadalności nie może być on oddzielony od oczyszczonych ścieków w osadniku wtórnym . Wiele jest przyczyn puchnięcia osadu. Bezpośrednią przyczyną tego zjawiska mogą być organizmy nitkowate, bakterie zooglealne, rozproszenie kłaczków lub wzrost lekkości osadu spowodowany wydzielaniem się pęcherzyków gazu. Organizmy nitkowate (głównie bakterie i grzyby) wywołują tzw. puchnięcie włókniste. Zwykle dochodzi do niego, gdy skład ścieków jest niewłaściwy (zbyt duże ilości węglowodanów w stosunku do azotu i fosforu), w sytuacji przeciążenia osadu, nagłych zmian obciążenia , niedotlenienia, zakwaszenia, zatrucia, obniżenia temperatury lub niedostatecznie długiego przetrzymywania osadu w komorze napowietrzania. Do najczęściej spotykanych mikroorganizmów nitkowatych należą bakterie: Sphaerotilus, Beggiatoa i promieniowce. Mniej poznanym zjawiskiem jest puchnięcie niewłókniste. Wywołane jest ono nadmierną produkcją pozakomórkowych substancji śluzowych przez pewne bakterie zooglealne. Śluzy te wiążą bardzo dużo wody, co sprawia, że osad jest czterokrotnie silniej uwodniony niż w przypadku spuchnięcia włóknistego. Zwiększenie indeksu osadu może też spowodować rozproszenie kłaczków w wyniku zbyt silnej turbulencji w komorze lub też wynoszenie osadu w osadniku wtórnym. Z tym drugim przypadkiem mamy do czynienia, gdy osad jest zbyt długo przetrzymywany w osadniku i dochodzi do rozwoju beztlenowych bakterii denitryfikacyjnych wydzielających pęcherzyki azotu cząsteczkowego.

90. Na czym polega biofiltracja gazów i kiedy może być zastosowana?

Zasada procesu. Biologiczne oczyszczanie powietrza w biofiltrach polega na powolnym przepuszczaniu gazów przez warstwę materiału porowatego zasiedlonego przez mikroorganizmy. W określonych warunkach pracy biofiltra, zanieczyszczenia obecne w gazie wylotowym są absorbowane i ulegają stopniowemu rozkładowi na naturalne substancje takie jak woda i dwutlenek węgla. Biologiczne oczyszczanie gazów opiera się na dwóch głównych procesach: absorpcji zanieczyszczeń w wodzie, biologicznym rozkładzie pochłoniętych zanieczyszczeń. Wskutek absorpcji uzyskujemy oczyszczanie gazów. Wskutek biologicznego rozkładu zanieczyszczeń zachodzi regeneracja sorbentu (złoża – w przypadku biofiltra lub osadu czynnego – w przypadku płuczki).

Warunki i ograniczenia:

• usuwane z gazów zanieczyszczenia muszą być podatne na rozkład biologiczny

• zanieczyszczenia muszą być rozpuszczalne w wodzie

• temperatura oczyszczanych gazów musi być tolerowana przez mikroorganizmy

• oczyszczane gazy nie mogą zawierać substancji trujących (np. metale ciężkie).

Zastosowanie biofiltracji. Zastosowanie biofiltrów jako efektywnego procesu oczyszczania powietrza ma miejsce głównie w miejskich i przemysłowych oczyszczalniach ścieków, instalacjach suszenia osadów, przemyśle spożywczym i produkcyjnym żywności, cukrowniach, rzeźniach, przemyśle przetwórstwa mięsnego i rybnego, fermach hodowlanych, kompostowniach i wysypiskach śmieci, przemyśle chemicznym, lakierniach oraz wielu innych procesach technologicznych. Szczególne znaczenie ma biofiltracja dla dezodoryzacji gazów. Wiele związków organicznych takich jak fenole, formaldehyd, ksylen, toluen, styren, alkohole, ketony i glikole ulegają efektywnemu rozkładowi. Przy zachowaniu optymalnych parametrów pracy likwidacja zanieczyszczeń jest bardzo wysoka i wynosi 98%.

Przebieg. Początkowo zanieczyszczone powietrze jest poddane wstępnemu oczyszczaniu w zintegrowanym z biofiltrem wstępnym skruberze, gdzie zostają zapewnienie optymalne warunki niezbędne dla dalszego procesu oczyszczania powietrza. W wstępnym skruberze zanieczyszczony gaz zostaje ochłodzony do odpowiedniej temperatury, odpowiednio nawilżony oraz pozbawiony stałych cząsteczek. Wstępnie przygotowane powietrze następnie przepływa z małą prędkością przez biologiczne złoże organiczne. Jako materiał filtrujący najczęściej stosuje się mieszaniny surowców pochodzenia organicznego, zawierające duży ładunek biomasy.

91. Na czym polega działanie bioskrubera i do jakich zanieczyszczeń może być zastosowany?

Bioskruber, Biopłuczka – typ bioreaktora służący do oczyszczania powietrza.

Biopłuczki składają się z dwóch komór: w pierwszej zachodzi przemiana zanieczyszczeń gazowych do fazy ciekłej, a w drugiej następuje biodegradacja substancji odorowych. Istnieją dwa typy biopłuczek:

• biopłuczka konwencjonalna, która w drugiej komorze zawiera mikroorganizmy w zawiesinie,

• biopłuczka z komorą osadu czynnego, która zamiast komory z mikroorganizmami w zawiesinie ma komorę z osadem czynnym.

92. biologiczne metody oczyszczanie gruntów

Bioremediacja to proces oczyszczania gruntów, w którym wykorzystywane są mikroorganizmy- rozkładają one substancje toksyczne do mniej toksycznych/całkiem nie toksycznych.

Kryteria decydujące o możliwości zastosowania bioremediacji do neutralizacji zanieczyszczeń a) środowisko podlegające bioremediacji powinno zawierać mikroorganizmy u których

zachodzą wymagane procesy kataboliczne,

b) mikroorganizmy wykorzystywane w procesie bioremediacji powinny być zdolne do przetwarzania związków chemicznych w odpowiednim tempie i obniżać ich koncentracje

do poziomu nie przekraczającego norm,

c) metabolity powstające podczas mikrobiologicznego rozkładu nie mogą posiadać właściwości toksycznych, mutagennych czy rakotwórczych,

d) środowisko podlegające bioremediacji nie może zawierać związków chemicznych

działających toksycznie i inhibitująco na drobnoustroje przeprowadzające proces

biodegradacji (w takich przypadkach należy zapewnić środki je rozcieńczające bądź

unieszkodliwiające),

e) dany związek bądź związki, które mają być usunięte w procesie bioremediacji muszą być dostępne dla mikroorganizmów a więc biodegradowalne,

f) warunki w miejscu przeprowadzania procesu lub w bioreaktorze powinny sprzyjać rozwojowi i działalności drobnoustrojów np. dostateczna ilość składników pokarmowych, tlen lub inny elektronobiorca, sprzyjająca wilgotność, odpowiednia temperatura oraz dodatkowe źródło węgla w sytuacji, gdy biodegradacja ma zachodzić w oparciu o zjawisko kometabolizmu,

g) koszt technologii powinien być tańszy lub porównywalny do innych technologii dotychczas opracowanych i stosowanych.

Przeprowadzanie procesów oczyszczania gruntów:

- in situ likwidacja zanieczyszczeń bezpośrednio w miejscu ich występowania
- ex situ zanieczyszczony grunt wydobywa się i dopiero wówczas poddaje właściwym zabiegom regeneracyjnym (stosowane w przypadku, gdy gleba skażona jest szczególnie niebezpiecznymi substancjami)

Metody in situ

biostymulacji procesu biodegradacji ropopochodnych dokonuje się poprzez

-wzbogacanie gruntów w pierwiastki biogenne- nawożenie P i N, ewentualnie K (optymalny stosunek C:N:P 100:10:1)
-korektę odczynu- odkwaszanie poprzez wapnowanie

-napowietrzanie- tworzenie warunków tlenowych

-uprawienia roślin wspomagających oczyszczanie- trawy, rośliny motylkowe

głębiej zalegające zanieczyszczenia

ww metody plus
- inokulacji gruntu mikroorganizmami aktywnie rozkładającymi zanieczyszczenia

- zabiegi przewietrzania gleby strumieniem powietrza,
- przemywania roztworem zawierającym substancje odżywcze czy kultury aktywnych mikroorganizmów

Bioekstrakcja wymuszona infiltracji wody gruntowej (bioremediacja stymulowana wodą) z napowietrzaniem (biowentylacja) daje zwiększenie desorpcji zanieczyszczeń ropopochodnych.

Bioremediacja stymulowana wodą in situ ma na celu wymuszenie pionowego, a następnie

poziomego przepływu wody wraz z substancjami ropopochodnymi w środowisku

gruntowo-wodnym może być wspomagana obecnością

substancji powierzchniowoczynnych w środowisku gruntowo-wodnym.

Badania wykazały, że surfaktanty syntetyczne oraz biosurfaktanty mogą

przyspieszać proces biodegradacji produktów naftowych, w szczególności ciężkich frakcji ropy naftowej.

Biowentylacja stosowana jako samodzielna technika oczyszczania prowadzona w celu maksymalizacji ulatniania się związków węglowodorowych o małej masie cząsteczkowej (np. produktów na bazie benzyny lekkiej lub rozpuszczalników)

Schemat procesu biowentylacji a) ekstrakcja powietrza gruntowego b) iniekcja powietrza

Napowietrzanie prowadzi się w sposób bierny lub aktywny. W przypadku wentylacji biernej napowietrzanie odbywa się poprzez

system rur perforowanych w sposób samoistny. Wentylacja aktywna polega na wytworzeniu podciśnienia (ekstrakcja powietrza gruntowego) lub nadciśnienia (iniekcja powietrza).

Metody ex situ

stosowane gdy istnieje niebezpieczeństwo migracji toksycznych zanieczyszczeń do wód gruntowych oraz proces detoksykacji musi być przeprowadzony w krótkim czasie.

Metoda bioreaktorowa

metoda kosztowna, przeprowadzana pod pełną i ciągłą kontrolą
stosowana dla mniejszych ilości gleby

technologii opartych o metody ex situ
- bioreaktory
- laguny stosowane do oczyszczanie zaolejonych ścieków

- reaktory półpłynne stosowane dooczyszczania zanieczyszczonej gleby, szlamów i osadów

Mikroorganizmy wykorzystywane w procesie bioremediacji

Proces bioremediacji może być prowadzony w oparciu o mikroflorę autochtoniczną,

naturalnie zasiedlającą skażony grunt lub w oparciu o szczepy pochodzące z innych

środowisk bądź kolekcji odznaczające się wysoką aktywnością degradacyjną.

konieczne jest stosowanie mieszanej

kultury mikroorganizmów o zróżnicowanych możliwościach metabolicznych

Dobór szczepów:

● Warunkiem adaptacji inokulantów w gruncie jest brak antagonistycznych

oddziaływań z naturalną mikroflorą gleby.

● Biopreparaty powinny być całkowicie bezpieczne dla człowieka i środowiska. Oznacza

to, że nie mogą to być organizmy patogenne. Poza tym ważne jest, aby metabolity

powstające w procesie rozkładu ksenobiotyków nie posiadały właściwości toksycznych,

mutagennych czy rakotwórczych

Szczepy zawarte w biopreparatach są przechowywane w formie liofilizatów, zamrażane bądź umieszczane w specjalnej zawiesinie

podział preparatów ze względu na skład:

bakteryjne
enzymatyczne

bakteryjno-enzymatyczne

Zaszczepienie gruntu poprzedza namnożenie mikroorganizmów w specjalnie przystosowanych bioreaktorach

Bioaugmentacja

Wzbogacenie zanieczyszczonego terenu w specjalnie wyselekcjonowane, o

dużej zdolności biodegradacji zanieczyszczeń, bakterie stosuje się, gdy rodzima

populacja bakterii na skażonym terenie nie wykazuje pożądanej aktywności w

kierunku biodegradacji zanieczyszczeń

94. biodeterioracja materiałów. Przykłady

a) asymilacyjna- materiał niszczony z racji swej wartości odżywczej (wyroby papiernicze, płyty kartonowo-gipsowe, kleje, wyroby drewniane)
b) dysymilacyjna- materiał niszczony jest przez metabolity drobnoustrojów (metale, beton, marmur),utlenianie
c)biofauling- już sama obecność (mikro)organizmów jest niepożądana dla materiałów i jego właściwości (porastanie kadłubów statków).

95. biofilm- charakterystyka

Osiadła społeczność komórek nieodwracalnie związana z jakąś powierzchnią, otoczona matrix utworzona z pozakomórkowych związków polimerycznych-EPS. W skład EPS wchodzą głownie polisacharydy i glikoproteiny. EPS stanowi 50-90% suchej masy całego biofilmu i jest poprzecinana gęstą siecią kanałów którymi dostają się substancje odżywcze i akceptory elektronów. W biofilmie występuje zwykle wiele gatunków drobnoustrojów. Wyróżnia się heterotroficzne i biofilmy zawierające wszystkie grupy troficzne(maty). Organizacja przestrzenna w biofilmie umożliwi mikroorganizmom uzyskiwanie licznych korzyści metabolicznych, np. kometabolizm. biofilm efektywnie wyłapuje organiczne i mineralne cząstki pokarmu. Komórki tworzące biofilm wykazują zmieniony fenotyp w porównaniu z bakteriami planktonowymi( swobodnie żyjącymi). Jest to konsekcencja regulacji ekspresji genów zależnej od zagęszczenia- quorum sensinig. Mikroorganizmy zorganizowane w biofilm są odporniejsze na wysuszanie i działanie: środków dezynfekcyjnych i trucizn środowiskowych, antybiotyków, czynników środowiska(temp. pH zasolenie, UV) wirusów i innych pasożytów i drapieżników. Biofilm może być wykorzystany przez człowieka(oczyszczanie środowiska) ale może tez stwarzać poważne problemy(ograniczenie przepływu w instalacjach chłodniczych i kanalizacyjnych, siedlisko mikroorganizmów chorobotwórczych, biokorozja)