1. Porównaj komórkę prokariotyczną i eukariotyczną.
Podstawową, zdolną do życia, fizyczną jednostką żywych organizmów jest komórka. Jej istotne składniki są takie same we wszystkich organizmach; DNA, RNA, białka, lipidy i fosfolipidy są podstawowymi składnikami wszystkich komórek. Jednak szczegółowe badania składu i ultrastruktury różnych typów komórek wykazały znaczące różnice między bakteriami z jednej strony, a zwierzętami i roślinami (łącznie z ich najmniejszymi przedstawicielami) z drugiej. Różnice te były tak znaczące, że obie te grupy rozdzielono i nazwano odpowiednio – Prokaryota i Eukaryota.

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. 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.

3. Morfologia komórek drożdży.

Drożdże są grzybami jednokomórkowymi. 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 organów rozmnażania płciowego. Należą tu np. gatunki z rodzaju Candida i Rhodotorula.

Morfologia komórek drożdży. Kształty komórek drożdżowych: kuliste, elipsoidalne, jajowate, mniej lub bardziej wydłużone. Kształty komórek drożdży są do siebie upodobnione, w związku z czym nie mogą służyć jako cecha rozpoznawcza gatunków, kształty komórek zmieniają się wraz z wiekiem komórki i są zależne od warunków środowiska.

Wielkość komórek drożdżowych: szerokość średnio 5 μm, długość średnio 10 μm.

Skupiska komórek drożdży: drożdże tworzą skupiska w postaci łańcuszków powstałych poprzez podział komórek.

4. Omów sposoby rozmnażania się drożdży.
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.

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.

5. Opisz morfologię 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.

6.Sposoby rozmnażania grzybów pleśniowych.

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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Charakterystyka purpurowych bakterii siarkowych.

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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

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

Anammox. 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).

21. Omów rodzaje rozmnażania u bakterii.
Rozmnażanie bezpłciowe. Bakterie rozmnażają się przez prosty podział komórki (rozszczepianie), przy czym z jednej komórki macierzystej powstają, po wytworzeniu poprzecznej błony, dwie komórki potomne. Pierwszy etap to podział substancji jądrowej. Występuje on w fazie intensywnego wzrostu komórki. Kolisty chromosom bakteryjny ulega w wyniku replikacji podwojeniu. Po skończonym podziale nukleoidu następuje właściwy podział komórki bakteryjnej, tworzy się poprzeczna przegroda (septum) rosnąca od zewnątrz do środka komórki. Stanowi ona następnie ścianę komórkową odgradzającą nowo powstałe komórki. Bakterie rozmnażają się bezpłciowo nie tylko na drodze podziału bezpośredniego - amitozy, poprzedzonej replikacją materiału genetycznego, ale także poprzez pączkowanie bądź rozpad koloni.

Procesy płciowe. U bakterii nie występuje rozmnażanie płciowe poprzez łączenie gamet, ale procesy płciowe umożliwiające pewną wymianę materiału genetycznego między różnymi komórkami bakteryjnymi. Przenoszenie dziedzicznych cech szczepu dawcy na szczep biorcy przez bezpośredni kontakt w parach określa się mianem koniugacji. Wśród bakterii istnieją dwa typy płciowe F⁺ i F^-. Komórki zawierające czynnik płciowy (F⁺) posiadają długie rurkowate wypustki tzw. fimbrie płciowe za pomocą których przekazują komórkom F^- fragment plazmidowego DNA, co powoduje zmianę ich fenotypu na F⁺ i przejęcie pewnych cech warunkujących np. oporność na antybiotyki.

Innym sposobem przenoszenia genów jest transformacja. Bakteria pobiera fragment obcego DNA z otoczenia , które pochodzi np. z uszkodzonej, innej komórki.

Transdukcja jest procesem zachodzącym przy udziale bakteriofagów łagodnych, które przenoszą fragmenty DNA bakterii wraz ze swoimi i w ten sposób włączają je do chromosomu nowego gospodarza w cyklu lizygenicznym.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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).

30. 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.

31. Wyjaśnij pojęcie swoistej szybkości wzrostu bakterii.

Jest to miara szybkości wzrostu komórek. Oblicza się ją z gęstości bakterii x₀ i x_t, odpowiednio w czasie t₀ i czasie t, zgodnie z równaniem:

$$\mu = \frac{\log{x_{t} -}\log x_{0}}{\log e(t - t_{0})} = \frac{\ln x_{t} - \ln x_{0}}{(t - t_{0})}$$

gdzie log e = 0,43429, a czas podwojenia wynosi:

$$t_{d} = \frac{\ln 2}{\mu}$$

32. 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.

33. Omów 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.

34. 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.

35. 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.

36. Wymień 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.

37. Omów 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).

38. 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.

39. Wymień bytowe źródła bioaerozolu i omów jedno z nich.

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).

40. Wymień i omów mikroogranizmy wskaźnikowe sanitarnej analizy powietrza.

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.

41. 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.

42. 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.

43. 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.

44. Porównaj 3 domeny organizmów.

Amerykański mikrobiolog i fizyk Carl Woese w 1990 roku przedstawił argumenty dla koncepcji podziału życia na Ziemi na trzy grupy, które nazwał domenami Archaea, Bacteria i Eukarya.

Eukarionty, eukariota, organizmy eukariotyczne (Eucaryota, Eukarya), określane też jako jądrowce – organizmy zbudowane z komórek posiadających jądro komórkowe z chromosomami, co jest jednym z elementów odróżniających je od prokariotów. Nukleus odgraniczony jest od cytoplazmy podwójną błoną białkowo–lipidową.

Archeony (Archaea) – drobne, pierwotnie bezjądrowe, zwykle ekstremofilne jednokomórkowce, tradycyjnie zaliczane do prokariotów. Badania genetyczne wykazały, że są bliżej spokrewnione z przodkami eukariotów niż z bakteriami. Według niektórych systematyków (Carl Woese) należy archeony traktować jako odrębną linię ewolucyjną i nadać im rangę domeny.

Eubakterie (od łac. Eubacteria) lub bakterie właściwe – w zależności od ujęcia systematycznego jest to takson w randze królestwa bądź podkrólestwa, obejmujący wszystkie organizmy prokariotyczne nie będące archeonami. Obecnie coraz częściej w tym znaczeniu występuje termin bakterie.

Cechy	Eubakterie	Archeony	Eukariota
Peptydoglikan w ścianie komórkowej	obecny	brak	brak
Reszty izoprenowe i wiązania eterowe w błonie komórkowej	brak	obecne	brak
Otoczka jądrowa	brak	brak	obecna
Organelle błonowe	brak	brak	obecne
Prosta polimeraza RNA		brak	brak
Rybosomy 70S	obecne	obecne	brak
Witka z jednym włóknem (jeżeli jest obecna)	tak	tak	nie
Transkrypcja wrażliwa na antybiotyk ryfamycynę	tak	nie	nie

45.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.

46.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.

47.Omów replikację DNA u mikroorganizmów prokariotycznych i eukariotycznych.

Replikacja DNA jest syntezą nowych nici DNA z użyciem nici oryginalnych jako matryc. Proces rozpoczyna się rozdzieleniem dwóch nici helisy DNA, aby wyeksponować zasady. Nowe nici DNA są syntetyzowane z użyciem starych nici jako matryc. Komplementarne parowanie zasad pomiędzy zasadami włączanych nukleotydów i matrycową nicią DNA decyduje, który nukleotyd zostanie włączony do rosnącego łańcucha DNA. Proces ten nazywamy semikonserwatywną replikacją, jako że po skopiowaniu całej cząsteczki każda nowa helisa DNA zawiera jedną nić oryginalną i jedną nowo zsyntetyzowaną. Zadaniem polimerazy jest sprawdzenie, czy wiązanie wodorowe pomiędzy zasadami jest poprawne, a następnie wytworzenie fosfodiestrowego wiązania między dwoma przyległymi nukleotydami.

Ponieważ podstawowy mechanizm replikacji DNA jest taki sam we wszystkich organizmach, będzie on opisany na przykładzie bakteryjnej replikacji DNA na modelu Escherichia coli. Pierwszy etap replikacji wymaga identyfikacji jej punku początkowego. W chromosomie E. coli jest tylko jedno takie miejsce. Do miejsca tego przyłącza się kompleks białkowy, otwiera helisę i rozpoczyna replikację. Synteza DNA przebiega dwukierunkowo i na obu niciach jednocześnie, tworząc oczko replikacyjne. Dwa punkty, w których zachodzi synteze DNA, nazywane są widełkami replikacyjnymi. W miarę postępu replikacji widełki replikacyjne przesuwają się wokół cząsteczki rozdzielającej nici DNA, syntetyzując dwie komplementarne nici i zwijając DNA ponownie za widełkami, póki te nie spotkają się w miejscu terminacji, gdzie zostają rozdzielone.

DNA może być syntetyzowany w jednym kierunku, 5’3’. Ponieważ dwie nici są antyrównoległe, a obie są kopiowane w widełkach replikacyjnych w tym samym czasie, tylko jedna nić może być syntetyzowana w sposób ciągły (nić wiodąca). Druga nić musi być syntetyzowana w krótkich fragmentach (nić opóźniona).

Różnice między replikacją prokariotyczną i eukariotyczną. Są głównie wynikiem większych rozmiarów genomów eukariotycznych oraz tego, że są one liniowe. Podstawowe różnice są następujące:

- w jednym chromosomie jest wiele punktów startowych replikacji;

- nici, wiodąca i opóźniona, są syntetyzowane przez różne polimerazy;

- z powodu konieczności ciągłej reinicjacji syntezy DNA na nici opóźnionej, na jej końcach pozostają krótkie segmenty, które nie są kopiowane (telomery). Z tego powodu chromosomy ulegałyby stopniowemu skracaniu w miarę upływu czasu. Zapobiega temu specjalny enzym, telomeraza, która wydłuża końce chromosomów przez dodawanie licznych heksanukleotydowych sekwencji powtórzonych. Sekwencje te służą następnie jako matryce do replikacji DNA.

48. Omów transkrypcję u mikroorganizmów prokariotycznych i eukariotycznych.

Informacja zawarta w sekwencji DNA nie jest przenoszona z DNA na białko bezpośrednio. Pośrednikiem tego procesu jest RNA. To przeniesienie informacji z DNA na RNA nazywa się transkrypcją. Powstająca cząsteczka RNA to informacyjny RNA, czyli messenger RNA (mRNA). Jest on jednoniciowy. Synteza RNA zachodzi wyłącznie na jednej nici DNA – nici kodującej, poczynając od końca 3’; mRNA jest więc komplementarny w stosunku do nici kodującej. W wyniku transkrypcji zostaje skopiowana sekwencja zasad występująca wyłącznie w DNA. Enzym odpowiedzialny za transkrypcję nazywa się polimerazą RNA. Ponadto do rozpoczęcia syntezy RNA potrzebna jest jeszcze jedna podjednostka. Jest to czynnik sigma, niezbędny do inicjacji transkrypcji. Czynnik sigma bierze udział w rozpoznaniu promotora, czyli sekwencji startowej na transkrybowanym DNA. Potem czynnik ten jest już zbędny. W czasie transkrypcji podwójna helisa DNA musi ulec rozwinięciu. Synteza RNA zostaje zakończona, gdy polimeraza dotrze do pewnej sekwencji DNA zwanej terminatorem. Wyróżniamy trzy etapy transkrypcji:

- inicjację, w którym następuje wiązanie polimerazy RNA z sekwencjami promotorowymi w DNA, wyznaczającymi miejsce startu transkrypcji

- elongację, która jest syntezą przez polimerazę RNA sekwencji rybo nukleotydów komplementarnych do jednej z nici DNA

- i terminację syntezy RNA na końce genu lub operonu.

Różnice między transkrypcją prokariotyczną i eukariotyczną. W eukariontach cząsteczka mRNA niesie informację dla produktu tylko jednego genu, lecz w prokariotach na jednej cząsteczce mRNA może znajdować się więcej niż jeden gen. Te tzw. policistronowe mRNA są wynikiem specyficznej organizacji genomu bakteryjnego. Komórki bakteryjne zawierają tylko jedną polimerazę RNA, podczas gdy eukariota mają ich co najmniej trzy, oznaczone numerami I, II i III. Miejsca promotorowe dla polimerazy I i II RNA są umieszczone przed punktem startu transkrypcji. Polimeraza III RNA rozpoznaje miejsca wewnątrz samych genów. Odmiennie od prokariotycznych polimeraz RNA, eukariotyczne polimerazy RNA wymagają do zainicjowania syntezy RNA dodatkowych czynników transkrypcyjnych.

49. Omów translację u organizmów prokariotycznych i eukariotycznych.

Transkrypcja jest to przepisanie sekwencji zasad z DNA na RNA, natomiast przetłumaczenie sekwencji zasad w RNA na sekwencję aminokwasów w białku nazywamy translacją.

Synteza białek: translacja mRNA. Aminokwasy są włączane do łańcucha polipeptydowego w kolejności określonej sekwencją trójek w mRNA. W procesie tym bierze udział mRNA, transportujący RNA (tRNA), rybosomy, różne enzymy i inne czynniki. tRNA działa jako cząsteczka pośrednicząca między sekwencją mRNA i sekwencją aminokwasów w białku. Każdy tRNA zawiera region, zwany antykodonem, który jest komplementarny do właściwego kodonu mRNA. Proces dopasowywania się antykodonów i kodonów oraz synteza łańcucha aminokwasowego odbywa się na rybosomie. Aminokwasy zostają poprzez tRNA ułożone w odpowiedniej kolejności i połączone wiązaniem peptydowym. Wyróżniamy trzy stadia syntezy białka:

- inicjację, która polega na identyfikacji kodonu startowego syntezy; tworzy się kompleks pomiędzy mRNA, rybosomom i inicjacyjnym tRNA;

- elongację, w której aminokwasy są dodawane w odpowiedniej kolejności (zgodnie z sekwencją kodonów w mRNA) do rosnącego łańcucha polipeptydowego

- w czasie terminacji rozpoznawany jest koniec łańcucha polipeptydowego, a kompleks mRNA, polipeptydu, tRNA i rybosomów rozpada się.

Sekwencja nukleotydów w DNA stanowi więc kod, który za pośrednictwem mRNA określa budowę białek.

Różnice między translacją prokariotyczną i eukariotyczną. Każdy etap translacji wymaga wielu czynników do zabezpieczenia poprawnej sekwencji zdarzeń; czynniki te są różne w prokariotycznej i eukariotycznej translacji. U prokariotów pierwszym etapem syntezy jest związanie małej podjednostki rybosomowej do mRNA, tak aby kodon startowy znalazł się w odpowiedniej pozycji, po czym inicjatorowy tRNA wchodzi w to miejsce. Ten mechanizm, unikatowy dla prokariotów, pozwala na rozpoczęcie translacji w środku sekwencji mRNA, jako że bakteryjne mRNA często zawierają wiele genów, które ulegają niezależnej translacji. U eukariontów inicjacyjny tRNA najpierw tworzy kompleks z małą rybosomową podjednostką, a następnie wiąże się z mRNA.

50. Wymień znane rodzaje mutacji i omów sposoby ich powstawania.

Mutacja jest to jakakolwiek zmiana w sekwencji zasad w DNA organizmu. Może to być zmiana jednej zasady, nazywana mutacją punktową, lub dotyczyć znacznie większej sekwencji DNA, wtedy jest nazywana mutacją wielomiejscową. Mutacja może być zauważona jako zmiana w fenotypie komórki, ale może być „cicha”, jeżeli zmiana zdarzy się w części sekwencji nieistotnej dla funkcji białka lub w niekodującej części genomu

Mutacje wielomiejscowe mogą być:

- delecjami (utrata jednej lub większej liczby zasad w DNA)

- insercjami (wstawienie jednej lub większej liczby zasad w jeden lub więcej genów)

- inwersjami (odwrócenie fragmentu chromosomu o 180 stopni)

- substytucjami (podstawienie jednej pary zasad przez inną)

- i duplikacjami (powielenie odcinka chromosomu)

sekwencji, a zdarzają się jako następstwa rekombinacji lub transpozycji w genomie.

Mutacje punktowe mogą być zamianą puryny na inną purynę lub pirymidyny na inną pirymidynę, co nazywane jest tranzycją, podczas gdy zamiana puryny na pirymidynę i odwrotnie jest nazywana transwersją. Wpływ zamiany zasad w genotypie na fenotyp zależy od rodzaju mutacji i miejsca, w którym się zdarzyła. Są cztery typy mutacji punktowych:

- mutacje nie zmieniające sensu wynikają z wieloznaczności kodu genetycznego; gdy mimo zmiany kodonu jest włączany do białka taki sam aminokwas, nie następuje żadna zmiana w genotypie

- mutacje zmiany sensu następują, gdy do łańcucha polipeptydowego jest włączany inny aminokwas. Konsekwencja takiej zmiany zależy od tego, czy zmiana następuje w istotnej, czy nieistotnej części białka. W pierwszym przypadku może zostać zaburzona lub utracona funkcja białka, w drugim możemy nie zaobserwować żadnej zmiany fenotypu

- mutacje nonsensowne to takie, w których zmiana sekwencji zasad prowadzi do zamiany kodonu kodującego jakiś aminokwas na kodon STOP. Synteza białka kończy się przedwcześnie, prowadząc do wytwarzania jego skróconej cząsteczki

- mutacje zmiany ramki odczytu następują, kiedy jeden lub dwa nukleotydy w sekwencji DNA ulegają delecji lub insercji, wpływając na zmianę translacyjnej fazy odczytu i powodując całkowitą zmianę sekwencji za miejscem mutacji.

51. Wyjaśnij mutagenne działanie promieniowania UV.

Częstość mutacji można zwiększyć działając na komórki czynnikami mutagennymi (czynnikami indukującymi mutacje). W ten sposób powstają mutacje indukowane, a takie mutanty nazywają się mutantami indukowanymi.

Światło ultrafioletowe. Światło ultrafioletowe, promieniowanie X i inne rodzaje promieniowania jonizującego mogą być potencjalną przyczyną uszkodzeń DNA. Światło UV jest często stosowane w laboratoriach do indukcji mutacji i mechanizm jego działania jest najlepiej poznany. Podstawowe uszkodzenie wywoływane przez światło UV to tworzenie dimerów tyminy między przylegającymi zasadami (dwie tyminy sąsiadujące ze sobą zostają połączone wiązaniami kowalencyjnymi), co wywołuje zniekształcenie helisy. Powstanie dimeru nie jest samo w sobie mutagenne, a mutacja powstaje, gdy komórka próbuje naprawić uszkodzenie używając tworzącego błędy systemu naprawczego, zwanego SOS. Ten mutagenny system oddziałuje z polimerazą DNA, pozwalając jej kontynuować replikację DNA, tak że naprzeciw dimeru tyminy włączane są przypadkowe zasady bez zachowania specyficzności parowania.

52. Wyjaśnij zjawisko rewersji mutacji.

Efekt mutacji może być zniesiony wieloma sposobami. Najprostszą metodą jest rewersja, inaczej odwrócenie mutacji, czyli powrót do pierwotnego fenotypu, utraconego wskutek wcześniejszej mutacji. Może stanowić wynik mutacji powrotnej, która zaszła w tym samym miejscu genu i spowodowała odzyskanie pierwotnej struktury genu (oryginalnej sekwencji zasad) lub w wyniku supresji mutacji, gdzie następuje druga mutacja w innym punkcie genomu, kompensująca skutki pierwszej mutacji. Druga mutacja może nastąpić w innym miejscu tego samego genu, w tym przypadku mówimy o supresji wewnątrzgenowej, lub w całkiem innym genie, wtedy jest nazywana supresją międzygenową.

53. Omów procesy rekombinacji.

Rekombinacja DNA w komórce biorcy następuje natychmiast po wejściu materiału genetycznego, a jej wynikiem jest włączenie DNA dawcy do DNA biorcy. Komórka, w której nastąpiła rekombinacja, nazywa się rekombinantem.

Zgodnie z obecnym stanem wiedzy, istnieją dwa różne mechanizmy, za pomocą których obcy DNA pobrany przez komórkę bakteryjną może zostać włączony do chromosomu lub plazmidu, są to:

1. rekombinacja ogólna lub homologiczna

2. rekombinacja zależna od miejsca lub sekwencji, zwana również rekombinacją zlokalizowaną.

Rekombinacja ogólna lub homologiczna. Terminem tym określamy proces, w którym obcy DNA znajdujący się w komórce zostaje włączony do DNA gospodarza przez połączenie się w pary homologicznych sekwencji, pęknięcie i krzyżową wymianę (crossing-over). Warunkiem koniecznym tego procesu jest istnienie długiego obszaru homologii sekwencji w DNA dwóch partnerów. Wiadomo jednak, że niewielkie różnice sekwencji, na przykład powstałe w wyniku mutacji, bywają tolerowane.

Rekombinacja zależna od określonego miejsca lub sekwencji. Ten rodzaj rekombinacji, w przeciwieństwie do rekombinacji ogólnej, wymaga jedynie krótkiego odcinka homologii DNA koniecznej do rozpoznania się partnerów. Jeśli sekwencja wymagana do rozpoznania znajduje się w dwóch partnerach, mamy do czynienia z „rekombinacją określoną przez dwa miejsca”. Obecność rozpoznawanej sekwencji tylko w jednej cząsteczce DNA prowadzi do rekombinacji „określonej przez jedno miejsce”.

Transpozony to geny, mające zdolność przemieszczania się wewnątrz całego materiału genetycznego komórki. Czasami nazywamy je „skaczącymi genami”, a ich zdolność do transpozycji może być przyczyną mutacji. Transpozony zawsze kodują białka, które umożliwiają im przemieszczanie się (transpozycję).

54. Co to są plazmidy i jakie pełnią funkcje.

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.

55. Omów mechanizmy przenoszenia materiału genetycznego u bakterii.

Rozróżniamy trzy rodzaje przekazywania cech u bakterii: koniugację, transdukcję i transformację. W wyniku każdego z tych procesów DNA zostaje przeniesiony z komórki dawcy do biorcy. Te trzy procesy różnią się między sobą jedynie sposobem przeniesienia.

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.

56. Wyjaśnij działanie operonu.

Mechanizm regulacji metabolizmu. Teoretycznie, synteza enzymu może być regulowana na etapie transkrypcji lub translacji. Prokariota preferują regulację transkrypcyjną i tak właśnie jest regulowana ekspresja większości genów kodujących łańcuchy polipeptydowe. Taki mechanizm regulacji wymaga przekazania określonych sygnałów z cytoplazmy komórki do DNA. Cząsteczki sygnalne, czyli cząsteczki efektora, są związkami o małej masie cząsteczkowej, takimi jak cukry lub ich pochodne, aminokwasy lub nukleotydy. Efektory nie mogą oddziaływać bezpośrednio z DNA, lecz wymagają udziału określonych białek regulatorowych.

Białka regulatorowe nie wiążą się z DNA w obrębie genów strukturalnych, lecz w sekwencjach sąsiednich – promotorach i operatorach. Promotor, operator i gen(y) struktury wchodzą w skład operonu. Wszystkie geny, nawet te, których transkrypcja nie podlega regulacji, są poprzedzone promotorami. Inicjacja transkrypcji w promotorach genów regulowanych jest modyfikowana przez wiązanie białek regulatorowych. Represor wiąże się z sekwencją operatora umiejscowioną między promotorem a genami struktury, co hamuje transkrypcję.

Operon. Termin operon określa grupę genów spokrewnionych funkcjonalnie. Białka kodowane przez geny wchodzące w skład operonu są zazwyczaj enzymami katalizującymi kilka etapów jednego szlaku metabolicznego. W wyniku transkrypcji powstaje jedna cząsteczka mRNA. Można odróżnić operony indukowane i reprymowane. Kataboliczne operony laktozy, galaktozy i arabinozy są indukowane, tzn. maksymalną wydajność transkrypcji można osiągnąć po dodaniu do podłoża zewnętrznych efektorów (induktorów). Z drugiej strony, biosyntetyczne operony argininy, histydyny lub tryptofanu stanowią przykład operonów reprymowanych. Maksymalną wydajność transkrypcji obserwuje się w nieobecności efektora w podłożu.

Indukcja operonu laktozy (kontrola negatywna). Operon laktozy E.coli składa się z promotora, operatora i genów strukturalnych trzech enzymów. Operon ten podlega kontroli negatywnej; znaczy to, że białko regulatorowe (represor) pozostaje związane z operatorem, hamując transkrypcję operonu dopóki nie pojawi się induktor. Związanie induktora do represora powoduje jego zmiany konformacyjne, a przez to zmniejsza powinowactwo represora do sekwencji DNA operatora. Represor opuszcza operator, stwarzając warunki do rozpoczęcia transkrypcji.

Indukcja operonu arabinozy (kontrola pozytywna). Operon arabinozy E.coli podlega również kontroli pozytywnej. Białko regulatorowe wiąże się z operatorem i działając jak represor prowadzi do zahamowania transkrypcji. Induktor zmienia białko represora w inicjator, który przez wiązanie się z promotorem powoduje inicjację transkrypcji. Operon ten podlega, jak widać, kontroli negatywnej i kontroli pozytywnej związanej z działaniem swoistego białka regulatorowego.

57. Wyjaśnij proces represji katabolicznej.

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.