Mikrobiologia przemysłowa – opracowanie pytań egzaminacyjnych

1. Typy odżywiania się mikroorganizmów.

Wśród bakterii możemy spotkać organizmy reprezentujące każdy z typów odżywiania występujący w przyrodzie. Większość z nich jest zaliczana do heterotrofów, czyli organizmów cudzożywnych. Wśród form samożywnych (autotroficznych) znajdują się bakterie chemosyntezujące oraz fotosyntezujące. Te pierwsze do syntezy związków odżywczych wykorzystują energię pochodzącą z utleniania pewnych związków nieorganicznych np. amonowych jak Nitrosomonas, azotynów np. Nitrobacter, siarkowych – Thiobacillus, czy wodorowych, jak Pseudomonas facilis. Bakterie fotosyntetyzujące korzystają natomiast z energii świetlnej. W grupie bakterii przeprowadzających fotosyntezę są takie które uzyskują atomy wodoru z siarkowodoru (beztlenowe) oraz te, które tak jak rośliny czerpią wodór z wody (tlenowe np. sinice).

Podział mikroorganizmów w oparciu o sposób odżywiania:

1. źródło węgla

   • CO₂ – autotrofy (przy czym nie są zdolne do czerpania C z innych źródeł; samożywne)

   • związki organiczne – heterotrofy (cudzożywne)

2. źródło energii

• światło (promieniowanie słoneczne) – fototrofy

• związki chemiczne – chemotrofy

1. źródło (donor) elektronów w procesie biosyntezy

• związki nieorganiczne (H₂, NH₃, H₂S, CO, związki Fe i in.) – litotrofy

• związki organiczne – organotrofy

1. Podział mikroorganizmów w oparciu o sposób odżywania się.

Opis sposobu odżywiania się mikroorganizmów wymaga ustalenia:

• źródła węgla do syntezy składników komórkowych

• źródła energii metabolicznej – energia jest niezbędna dla komórek do wykonania pracy chemicznej, np. biosynteza (anabolizm), pracy osmotycznej (transport przez błony), pracy mechanicznej czy pracy fizycznej.

• donora elektronów i protonów w układzie przenośników, np. transport przez błony, przemiany energetyczne w komórce

Ze względu na sposób odżywiania się mikroorganizmy dzielimy na:

• fotoautotrofy

• chemolitotrofy

• chemoorganotrofy

Fotoautotrofy (fotolitoautotrofy) – organizmy samożywne wykorzystujące energię słoneczną. Źródłem węgla dla tej grupy jest CO₂, źródłem elektronów są związki nieorganiczne.

Do fotoautotrofów zaliczamy:

• beztlenowe bakterie fototroficzne, których proces fotosyntezy nie uwalnia do środowiska tlenu, np. purpurowe bakterie siarkowe

• tlenowe mikroorganizmy fototroficzne, które w obecności światła wytwarzają tlen – takimi właściwościami cechują się sinice, glony

Chemotrofy – mikroorganizmy, które uzyskują energię w wyniku przemian oksydoredukcyjnych organicznych lub nieorganicznych związków chemicznych. Źródłem węgla dla tej grupy może być CO₂ lub związki organiczne. Chemotrofy dzielimy na:

• Chemolitotrofy (chemoautotrofy) – organizmy korzystające z energii zawartej w zredukowanych związkach organicznych, np. N, S, Fe lub energii zawartej w H₂. Źródłem elektronów mogą być zredukowane związki, takie jak NH₃, CO, H₂S, S, Fe²⁺. Źródłem węgla może być CO₂ lub związki organiczne. Do tej grupy zaliczamy większość archeonów, bakterie nitryfikacyjne, bakterie wodorowe, żelaziste i wiele innych, szczególnie często występujące w środowiskach wody i gleby.

• Chemoorganotrofy (organotrofy, chemoorganoheterotrofy) – mikroorganizmy, które wykorzystują związki organiczne jako źródło węgla, energii i elektronów (donory wodoru). Należą tutaj wszystkie grzyby (drożdże i pleśnie), większość bakterii, pierwotniaki oraz zwierzęta.

1. Wyjaśnić pojęcia: fotolitotrofia, chemolitotrofia i organotrofia.

pyt. 2

1. Oddychanie tlenowe mikroorganizmów.

Oddychanie tlenowe jest procesem katabolicznym, w którym utlenianie związków organicznych lub nieorganicznych jest sprzężone z syntezą ATP w procesie fosforylacji oksydacyjnej, a końcowymi akceptorami elektronów są związki egzogenne. Energia zawarta w substratach oddechowych jest stopniowo uwalniana w serii sprzężonych reakcji utleniania i redukcji, którym towarzyszy transport elektronów w łańcuchu oddechowym.

W skład łańcucha oddechowego wchodzą co najmniej dwa kompleksy enzymów – dehydrogenaza i końcowa oksydoreduktaza. W bardziej kompletnych łańcuchach występują dodatkowe enzymy lub białka przenoszące elektrony. U Eucaryota łańcuch jest umiejscowiony w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. U Procaryota – w błonach mezosomów w błonie cytoplazmatycznej.

W oddychaniu tlenowym końcowym akceptorem elektronów jest tlen. Głównym szlakiem metabolicznym jest cykl Krebsa, w którym pirogronian jest cyklicznie utleniany i ulega całkowitej degradacji do CO₂ (czyli mineralizacji). Oddychanie tlenowe daje mikroorganizmom większy zysk energetyczny niż beztlenowe. W samym cyklu Krebsa zysk energetyczny jest znikomy, nie kończy on jednak oddychania tlenowego. Elektrony przekazywane są dalej do łańcucha oddechowego, gdzie następuje stopniowy odzysk energii.

Pełny łańcuch oddechowy funkcjonuje tylko u Eucaryota, u Procaryota są najczęściej znacznie zredukowane przenośniki elektronów (np. tylko jeden cytochrom).

Wśród tlenowców są takie mikroorganizmy, które wykorzystują związki nieorganiczne jako akceptory elektronów (chemolitotrofy). Podczas takiej przemiany dochodzi do utlenienia nieorganicznych związków mineralnych, czemu towarzyszy wydzielenie pewnej ilości energii.

Grupa tlenowców obejmuje drobnoustroje, dla których obecność tlenu jest niezbędna do wzrostu. Do tej grupy należy wiele gatunków drożdży i bakterii (Thiobacillus, Bacillus, Pseudomonas) oraz większość pleśni. Liczne mikroorganizmy należące do tlenowców są wykorzystywane w procesach biotechnologicznych np. do produkcji kwasów organicznych, antybiotyków. Są to pleśnie z rodzaju Aspergillus, Penicillium, promieniowce. Zapotrzebowanie na tlen hodowli mikroorganizmów jest uzależnione od rodzaju stężenia źródeł węgla i energii, fazy hodowli, gęstości komórek i ich stanu fizjologicznego.

1. Proces fermentacji.

Liczne bakterie i niektóre grzyby mikroskopowe (względne i bezwzględne beztlenowce) posiadają zdolność do przeprowadzania procesu utleniania, nazywanego fermentacją. W fermentacji substrat oddechowy zostaje rozbity i przekształcony, po czym jeden produkt ulega utlenianiu, a drugi redukcji. Energia jest odkładana w ATP, a ten ostatni tworzy się w drodze fosforylacji substratowej. Wyjątkowo fermentacje mogą przebiegać bez wykorzystania fosforylacji substratowej, kiedy ATP powstaje kosztem energii pompy wodorowej lub sodowej.

Wydajność energetyczna fermentacji jest kilkanaście razy mniejsza niż oddychania tlenowego. Do uzyskania tej samej ilości energii co w oddychaniu tlenowym, w czasie fermentacji bakteria musi zużyć wiele razy większą ilość substratu. Produktem fermentacji, oprócz energii zmagazynowanej w ATP, są związki organiczne bardziej zredukowane oraz bardziej utlenione niż substrat.

Bakterie, fermentując, modyfikują silnie środowisko, zużywając dużo substratu i gromadząc duże ilości produktów końcowych – głównie związków organicznych, mogą służyć jako źródło węgla i energii dla innych bakterii. Przy dużych stężeniach substratu i dominacji bakterii fermentujących dochodzi do kumulacji produktów, zwłaszcza kwasów i gazów.

Glukoza przekształcana do pirogronianu, który ulega fermentacji:

1. mlekowej (kwas mlekowy – bakterie mlekowe)

2. alkoholowej (etanol – drożdże, Zymomonas)

3. masłowej i acetonowo-butanolowej (kwas masłowy, butanol, aceton, CO₂, izopropanol – Clostridium)

4. propionowej (kwas propionowy, szczawiooctowy, bursztynowy, CO₂ – bakterie propionowe)

5. mieszanej (kwas mrówkowy, kwas octowy, etanol, acetoina, butanodiol, CO₂, H₂ – Enterobacteriaceae) (np. różne dehydrogenazy)

Znaczącym celem przemiany pirogronianu do produktu końcowego jest regeneracja, czyli utlenienie zredukowanego NAD-u podczas II etapu. Zredukowany metabolit, który bez udziału tlenu nie może być dalej metabolizowany, jako produkt niepotrzebny komórce zostaje wydzielony do środowiska. Proces fermentacji jest charakterystyczny dla organizmów względnie beztlenowych – drożdże, bakterie mlekowe oraz bezwzględnych beztlenowców – np. bakterie z rodzaju Clostridium i Bacteroides. Produkty końcowe są zależne od wyposażenia enzymatycznego. Jeżeli drobnoustroje mają skąpe wyposażenie, to powstaje produkt homogenny, np. kwas mlekowy, jeśli mają bogaty aparat enzymatyczny, powstaje mieszanina produktów (fermentacja heterogenna).

1. Charakterystyka bakterii chemolitotroficznych.

Chemolitotrofy są liczną grupą. Występują głównie w wodzie i glebie. Wykorzystują energię zawartą w zredukowanych związkach chemicznych i odzyskują ją w wyniku utleniania związków.

1. Bakterie utleniające wodór – bakterie wodorowe (np. Hydrogenomonas)

H₂ + ½ O₂ H₂O + 1 ATP

1. Bakterie utleniające amoniak (np. Nitromonas)

NH₄⁺ + 1,5 O₂ NO₂^- + H⁺ + H₂O + 2 ATP

1. Bakterie utleniające azotany (np. Nitrobacter)

NH₄⁺ + ½ O₂ NO₃^- + 1 ATP

1. Bakterie utleniające nieorganiczne związki siarki, bakterie siarkowe (np. Thiobacillus)

HS^- + H⁺ ½ O₂ S⁰ +H₂O + 2 ATP

S⁰ + 1½ O₂ + H₂O SO₄^2- +2 H⁺ +1 ATP

1. Bakterie utleniające jony żelazowe – bakterie żelaziste (Ferrobacillus)

Fe²⁺ +H⁺ + ¼ O₂ Fe³⁺ + ½ H₂O + 1 ATP

Niektóre chemolitotrofy są wyspecjalizowane w sposobie uzyskiwania energii (np. Nitrosomonas – wyłącznie utlenianie NH₃), inne mogą wykorzystywać kilka nieorganicznych donorów elektronów (np. Acidithiobacillus ferrooxidans – związki siarki, żelaza (II) i wodoru).

1. Oddychanie beztlenowe mikroorganizmów.

Końcowymi akceptorami elektronów są inne niż tlen pierwiastki lub utlenione związki nieorganiczne i organiczne (siarka, azotany, tlenki azotu, siarczany, chlorany). Zależnie od rodzaju akceptora mówimy o oddychaniu azotanowym, siarczanowym, fumaranowym.

W przypadku oddychania beztlenowego końcowym akceptorem elektronów mogą być związki organiczne utlenione bądź związki nieorganiczne utlenione, które w wyniku przeniesienia elektronów ulegają redukcji do określonych związków, np. CO₂ do CH₄. Określony typ oddychania beztlenowego przyjmuje nazwę od związku, który powstaje bądź jest substratem w danym procesie.

CO2 CH4 CH3COOOH CH4	oddychanie węglanowe (bakterie metenogenne)
S0 H2S	oddychanie siarkowe (Desulforomonas)
SO4^2- H2S	oddychanie siarczanowe (Desulfovibrio)
NO3^- NO2^-, N2O, N	oddychanie azotanowe (denitryfikatory)
Fe^3+ Fe^2+	oddychanie żelazowe

1. Fotosynteza bakteryjna.

Fotosynteza to przekształcenie energii świetlnej w energię biochemiczną (ATP) oraz siłę redukującą (NADH₂).

Mikroorganizmy fotosyntetyzujące żyją w wodzie (morskiej i słodkiej), w warstwach dennych płytkich stawów, na powierzchni bagien, lodowców, gleby.

Mikroorganizmy fotosyntetyzujące:

• oksygenowe – wytwarzają tlen w czasie fotosyntezy, jako donor elektronów do redukcji NADP⁺ wykorzystują H₂O

• anoksygenowe – nie wytwarzają tlenu, donorami elektronów są nieorganiczne związki S, H₂, związki organiczne lub Fe(II). Niektóre grupy w ciemności mogą prowadzić metabolizm chemoorganotroficzny.

Fotosynteza anoksygenowa – pojedyncza reakcja świetlna (fotofosforylacja). Elektrony do redukcji NAD nie pochodzą z H₂O lecz z innych zredukowanych związków.

Barwniki uczestniczące w fotosyntezie – bakteriochlorofile + barwniki pomocnicze.

Fotosynteza oksygenowa – proces przekształcenia energii świetlnej w energię biochemiczną ATP (fotofosforylacja). Energia świetlna jest też wykorzystywana do oderwania elektronu od cząsteczki H₂O i przeniesienia go na utlenioną formę NAD(P). Ciąg dwóch kolejnych reakcji świetlnych aktywuje elektrony do poziomu wystarczającego do redukcji NAD(P) i do wykorzystania H₂O jako źródła elektronów.

Fotosynteza sinic jest procesem oksygenowym. Aparat fotosyntezy sinic jest zlokalizowany w systemie wewnątrzplazmatycznych błon zwanych tylakoidami, pokrytych fikobilisomami zawierającymi składniki zbierające światło. Barwniki absorbujące światło to chlorofile, które pochłaniają światło czerwone i niebieskie oraz karotenoidy, fikobiliproteiny, fikoerytryna, fikocyjanina, zwane barwnikami dodatkowymi, gdyż absorbują światło o takich długościach fal, przy których chlorofil nie działa wydajnie. Barwniki są rozmieszczone w sposób wysoce uporządkowany, co zwiększa efektywność transferu energii świetlnej. Fotosynteza sinic jest podobna do fotosyntezy glonów.

Fotosynteza bakteryjna przebiega zasadniczo podobnie do fotosyntezy roślinnej, ale różni się kilkoma istotnymi elementami. Przebiega w warunkach beztlenowych z udziałem innych barwników asymilacyjnych niż chlorofil. Odmienna budowa chlorofilu oraz organelli fotosyntezy powodują, iż wymagają one słabszego naświetlania. Absorbują więc światło o dłuższej fali niż światło pochłaniane przez rośliny zielone. Siedliskami tych bakterii są głębsze warstwy wody i beztlenowe muły denne. W miejscach tych znajdują się zredukowane związki siarki, wodór lub kwasy organiczne będące donorami elektronów redukujących. Z tego powodu w wyniku fotosyntezy bakteryjnej nie jest dostarczany do środowiska tlen, a wydzielane są utlenione związki mineralne lub organiczne.

1. Wymagania pokarmowe mikroorganizmów.

Wszystkie mikroorganizmy wymagają do wzrostu tych samych pierwiastków, ale w różnych formach. Pierwiastki budulcowe niezbędne to: C, N, O, H, P, S. Wchodzą one w skład podstawowych związków chemicznych budulcowych i funkcjonalnych.

Opracowując skład pożywek hodowlanych, musimy pamiętać o tym, że liczbowa relacja tych składników musi zabezpieczać podstawowe wymagania na składniki budulcowe. Najprostszą metodą na zbadanie tych wymagań jest zbadanie biomasy po hodowli. C, H, O są podstawowymi składnikami związków organicznych, budujących składniki funkcjonalne, np. enzymy.

Komórka najchętniej wykorzystuje źródła węgla, które nie wymagają wstępnej hydrolizy i bez transformacji bezpośrednio wprowadzane są do szlaków metabolicznych. Mikroorganizmy potrafią wykorzystywać większość źródeł węgla, ale muszą wtedy zaangażować część energii w procesy hydrolizy i transformacji wprowadzanych związków.

1. Pierwiastki budulcowe mikroorganizmów.

6 podstawowych pierwiastków (C, O, H, N, S, P) buduje wszystkie związki organiczne w komórce: aminokwasy, białka, cukry, kwasy tłuszczowe, lipidy, nukleotydy i kwasy nukleinowe.

Głównymi składnikami masy komórkowej mikroorganizmów są:

• Węgiel (C) –zawartość w suchej masie mikroorganizmów ok. 47-48%; główny pierwiastek wchodzący w skład wszystkich związków organicznych

• Tlen (O) – stanowi 30-31% suchej masy mikroorganizmów; obecny we wszystkich związkach organicznych, wchodzi w skład wody – podstawowego rozpuszczalnika substancji komórkowych

• Wodór (H) – do 8%w suchej masie, składnik wszystkich substancji organicznych oraz wody

• Azot (N) – 14% suchej masy drobnoustrojów; niezbędny w komórce jako składnik aminokwasów, pochodnych sacharydów oraz zasad purynowych i pirymidynowych (głównego budulca nukleotydów i kwasów nukleinowych)

• Fosfor (P) – do 3% s.m., wchodzi w skład nukleotydów budujących kwasy nukleinowe, ale także związki typu ATP i ADP, w których wysokoenergetyczne wiązania fosforanowe magazynują lub uwalniają energię w zależności od potrzeb komórki; buduje też fosfolipidy oraz układy buforowe utrzymujące pH komórki na stałym poziomie

• Siarka (S) – do 1% s.m., składnik niektórych aminokwasów, warunkuje ich zdolność do tworzenia mostków dwusiarczkowych, grupa –SH jest też częścią aktywną wielu ważnych enzymów (np. oddychania komórkowego)

+ mikroelementy

1. Źródła pierwiastków budulcowych dla mikroorganizmów.

Tlen – jego źródłem dla organizmów beztlenowych są związki organiczne, dla tlenowców, względnych tlenowców – powietrze.

Wodór – pochodzący z połączeń organicznych i wody, która jest wszechobecna w środowisku hodowlanym.

Azot – jest składnikiem aminokwasów, zasad azotowych. Źródłem azotu dla mikroorganizmów są także jony NH₄⁺, najchętniej wykorzystywane. Część mikroorganizmów potrafi wykorzystywać azot w formie utlenionej, ale wbudowywany może być tylko w formie zredukowanej, co pociąga za sobą utratę energii na proces redukcji. Istnieją mikroorganizmy zdolne do wykorzystywania mineralnych źródeł azotu: większość bakterii chorobotwórczych, bakterie fermentacji mlekowej. Muszą one mieć dostarczony azot w postaci aminokwasów lub białek. Nieliczne drobnoustroje zdolne są do wykorzystywania azotu atmosferycznego (np. Azotobacter).

Fosfor – wchodzi w skład fosfolipidów (składniki błon komórkowych), kwasów nukleinowych, ATP, AMP, ADP. Źródłem fosforu są związki mineralne, najczęściej PO₄^3-. Mikroorganizmy potrafią tez wykorzystywać fosfor w połączeniach organicznych.

Siarka – występuje w organizmie w formie zredukowanej. Mikroorganizmy najchętniej pobierają siarkę w postaci utlenionej i tylko niektóre drobnoustroje nie potrafią tej siarki redukować, wtedy dostarcza się im S^2-.

Składniki funkcjonalne – muszą być również obecne w pożywce. Biorą udział w przemianach metabolicznych. Najistotniejsze dla mikroorganizmów są: Na, Mg, Fe, Ca, Fe. Związki te wykorzystywane są z reguły w postaci rozpuszczalnych soli.

Wymagane są również pierwiastki śladowe – głównie Mn, Mo, Zn, Cu, Co, Ni, Se. Pierwiastki te występują w zanieczyszczeniach surowców, w wodzie i dlatego są pomijane w pożywkach, w skład których wchodzą składniki naturalne (tzw. pożywki przemysłowe).

1. Podział mikroorganizmów w oparciu o wymagania pokarmowe.

Mikroorganizmy o skrajnie wysokich wymaganiach pokarmowych – są to głównie mikroorganizmy patogenne, które poza swoim gospodarzem nie mogą się rozwijać. Muszą mieć dostarczone wszystkie składniki pokarmowe w odpowiednich proporcjach. Rosną w środowisku o pełnym składzie pokarmowym (pełny zestaw budulcowy związków organicznych). Najlepiej rozwijają się w organizmach żywych, czyli w środowisku identycznym jak ich właściwa materia komórkowa. Na skraju tych wymagań są niektóre gatunki bakterii mlekowych.

Mikroorganizmy o średnich wymaganiach pokarmowych – mikroorganizmy pośrednie, występują najliczniej w przyrodzie, np. Pseudomonas i bakterie fermentacji mlekowej.

Mikroorganizmy o niskich wymaganiach pokarmowych – autotroficzne w stosunku do źródła węgla, a niektóre nawet do źródła azotu. Należą tu sinice o zdolności asymilacji CO₂ i azotu atmosferycznego, zalicza się również heterotroficzne mikroorganizmy bytujące w środowiskach naturalnych. Rosną w środowiskach bardzo ubogich, są charakterystyczne dla wód i gleby.

1. Wzrost osobniczy i populacyjny mikroorganizmów.

Wzrost osobniczy – przyrost biomasy i objętości organizmu jednokomórkowego (np. komórki drożdżowej, bakteryjnej) lub wielokomórkowego (np. strzępki grzybni) w wyniku biosyntezy substancji komórkowych (białka, kwasy nukleinowe, sacharydy), służących do tworzenia struktur komórkowych: błon komórkowych, rybosomów, jądra, mitochondriów – cykl życiowy.

Wzrost populacyjny – wzrost populacji tzn. zwiększenie liczby komórek populacji drobnoustrojów – organizacja całej populacji. Zwiększenie biomasy populacji drobnoustrojów rozumianej jako zbiór organizmów określonego gatunku (szczepu) znajdujących się w danym środowisku np. w hodowli.

W biotechnologii mikrobiologicznej i mikrobiologii żywności wzrost drobnoustrojów opisany jest przede wszystkim jako wzrost populacji.

Obserwacje wzrostu populacji bakterii i drożdży pozwalają na dostrzeżenie istotnych różnic w charakterze tego procesu dla obu wymienionych grup jednokomórkowców. Komórka macierzysta dzieli się na 2 komórki potomne. Zatem w danym momencie hodowli bakteryjnej obecne są tylko rówieśnicze komórki tej samej generacji. Odmiennie jest w hodowli drożdży, gdzie komórka macierzysta po wypączkowaniu z niej komórki potomnej zdolna jest do dalszego rozmnażania. Konsekwencją takiego sposobu rozmnażania jest jednoczesna obecność w hodowli komórek z różnych pokoleń, przy czym komórki pochodzące z różnych generacji mogą być rówieśnicze, zaś komórki siostrzane mogą się różnić od siebie wiekiem.

1. Wzrost drobnoustrojów w hodowli okresowej, fazy wzrostu drobnoustrojów.

Faza I – przystosowawcza, adaptacyjna, zastoju, lag faza,

• trwa od wprowadzenia drobnoustroju do świeżej pożywki, aż do czasu uzyskania intensywnego rozwoju

• okres jej trwania zależy od:

• składu pożywki, w której przygotowano inokulum

• rodzaju pożywki hodowlanej

• wielkości i stanu fizjologicznego użytego materiału posiewnego

• cech gatunkowych drobnoustrojów

• temperatury inkubacji

• w fazie zastoju masa pojedynczych komórek wprowadzonych do świeżej pożywki rośnie natychmiast w stosunku logarytmicznym;

• zwiększenie ilości kwasu RNA - nawet l2-krotnie (do syntezy innych enzymów)

• potem zwiększenie ilości białek oraz rybosomów

• powiększają się wymiary pojedynczej komórki.

Faza II – faza przyspieszenia, akceleracji

• końcowy etap fazy adaptacyjnej

• wzrost częstości podziału lub pączkowania komórek

• intensywny metabolizm oraz duża wrażliwość na niekorzystne czynniki środowiska hodowlanego

• czas trwania stosunkowo krótki

Faza III – wzrostu logarytmicznego, wykładnicza.

• najintensywniejszy przyrost liczby komórek, ze stałą szybkością

• masa i liczba komórek wzrastają logarytmicznie

• wartości RNA w przeliczeniu na masę komórki są względnie stałe

• składniki komórki syntetyzowane ze stalą szybkością – sprzyja to zachowaniu stałej wielkości komórki oraz jej składu chemicznego

• tzw. wzrost zrównoważony

• czas trwania zależy od czynników środowiskowych (ilość substancji odżywczych, obecność toksycznych produktów metabolizmu, wartość pH, temperatury, tlenu) oraz od właściwości drobnoustrojów i sposobu prowadzenia hodowli.

Faza IV – faza spowolnionego wzrostu

• maleje rozmiar komórek

• staja się one ubogie w RNA i rybosomy

• równocześnie wzrasta liczba komórek martwych

Faza V – faza stacjonarna (idiofaza)

• stała liczba komórek w hodowli – równowaga pomiędzy żywnymi i martwymi

• komórki zużywają materialny zapasowe

• ulega degradacji część rybosomów

• komórki jednak cały czas mają zdolność syntezy pewnych enzymów

• czasami mikroorganizmy w tej fazie produkują metabolity pośrednie – idiolity

Faza VI – zwolnionego zamierania

• przyrost liczby komórek martwych

• pojawiają się formy inwolucyjne

• zachodzą proces autolizy, zmniejsza się liczba komórek oraz ogólna biomasa hodowli

Faza VII – logarytmicznego zamierania

• szybkość zamierania drobnoustrojów w jednostce czasu jest stała

• szybkość zamierania oraz okres trwania tej fazy zależy od stopnia wrażliwości komórek na toksyczne metabolity – są one wówczas w dużym stężeniu

• może mieć ona gwałtowny lub łagodny przebieg.

1. Wzrost mikroorganizmów w hodowli ciągłej.

W warunkach hodowli ciągłej, po wstępnym namnożeniu mikroorganizmów odbywa się stałe zasilanie fermentora świeżą ilością pożywki i jednoczesny odbiór tej samej objętości płynu hodowlanego. Pozwala to na utrzymanie stałego stężenia substratu i wytwarzanych produktów metabolizmu, jak i również zachowanie wykładniczego wzrostu populacji.

Rozróżnia się dwa sposoby prowadzenia hodowli ciągłej:

1. na zasadzie chemostatu

W chemostacie wzrost drobnoustrojów jest regulowany szybkością dopływu pożywki. W dowolnym udziale można zmienić szybkość przepływu pożywki tylko w takim zakresie, aby stężenie wprowadzonego substratu nie przekroczyło wartości, przy której drobnoustroje osiągają maksymalną właściwą szybkość wzrostu. W chemostacie stałe stężenie biomasy jest wynikiem stałej szybkości rozcieńczania D.

Wielkością stałą jest szybkość rozcieńczania hodowli D (h^-1).

D – stosunek natężenia objętościowego przepływu pożywki (F) do objętości hodowli (V)

Zasadą chemostatu jest stan równowagi dynamicznej między szybkością wzrostu μ i szybkością rozcieńczania hodowli:

μ

1. na zasadzie turbidostatu

W metodzie tej zadane stężenie biomasy utrzymywane jest w wyniku automatycznej regulacji przepływu podłoża opartej na pomiarze zmętnienia zawiesiny hodowlanej. W skonstruowanym układzie między natężeniem przepływu pożywki a zmętnieniem zawiesiny hodowlanej działa mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego tzn. gdy zmętnienie maleje natężenie przepływu wzrasta i odwrotnie – wzrostowi zmętnienia towarzyszy zmniejszenie dopływu świeżej pożywki. Wadą hodowli w turbidostacie jest niższy niż w chemostacie stopień wykorzystywania substratu oraz konieczność stosowania skomplikowanych technicznie urządzeń.

1. Metody mikroskopowe pomiaru ilości drobnoustrojów.

Metody mikroskopowe polegają na bezpośrednim liczeniu komórek mikroorganizmów pod mikroskopem. Różnice sprowadzają się do sposobu przygotowania próby i różnych metod przeliczania drobnoustrojów na jednostkę objętości.

1. liczenie drobnoustrojów przy użyciu komór

Komory do liczenia drobnoustrojów pod mikroskopem mają postać szklanych płytek z wyciętym wgłębieniem podzielonym na kwadraty lub prostokąty o znanej powierzchni.

Komora Thoma

Ma ona głębokość 0,1mm, na jej dnie znajduje się siatka składająca się z 16 dużych kwadratów, które z kolei są podzielone na 16 małych. Szerokość i długość komory wynosi 0,05 mm. Na powierzchni komory Thoma wyżłobione są trzy kanaliki w kształcie litery H. Badana zawiesinę nanosi się na górną i dolną siateczkę w centralnej części komory. Wyjściowa gęstość zawiesiny powinna wynosić od 10⁶ do 10⁷ komórek w 1cm³ , podczas liczenia wyznacza się średnia liczbę komórek w około 40 małych kwadracikach. Liczbę drobnoustrojów w 1cm³ wylicza się ze wzoru:

n – rozcieńczenie zawiesiny drobnoustrojów

a – średnia zawartość komórek w polu widzenia.

Komora Burkera

Ma podobną budowę jak komora Thoma, podzielona jest jednak na większe kwadraty: o boku 0,2mm. Liczbę drobnoustrojów wylicza się ze wzoru:

n – rozcieńczenie zawiesiny drobnoustrojów

a – średnia liczba komórek w polu widzenia

1. Liczenie drobnoustrojów w preparacje przeżyciowym (bezpośrednim)

Polega ona na wykonaniu preparatu bezpośredniego, a następnie liczeniu pod mikroskopem średniej liczby komórek. Liczenie należy przeprowadzić w trzech preparatach, minimum po 20 pól widzenia w każdym. Należy tez policzyć powierzchnię pola widzenia mikroskopu. Liczbę drobnoustroju w 1cm³ próby oblicza się z wzoru:

n – rozcieńczenie zawiesiny drobnoustrojów

a – średnia zawartość komórek w polu widzenia

r – promień pola widzenia [mm]

h – grubość warstwy cieczy między szkiełkami [mm]

1. Liczba drobnoustrojów metodą Breeda w preparacie barwionym

Zasada polega na wykonaniu równomiernego rozmazu niewielkiej ilości hodowli, pobranej tzw. pipetą Breeda (0,01cm³), na znanej powierzchni A szkiełka podstawowego, wcześniej dokładnie odtłuszczonego. Po wykonaniu rozmazu, wysuszeniu i utrwaleniu preparat wybarwia się odpowiednim barwnikiem a następnie liczy pod mikroskopem średnią liczbę komórek z trzech preparatów
w 20 wybranych polach widzenia. Mikrometrem obiektywowym wyznacza się średnicę pola widzenia. Liczbę drobnoustrojów w 1cm³ próby oblicza się z wzoru:

A - pole rozmazu

a – średnia liczba komórek w polu widzenia

x = 100, przelicznik dla pipety Breeda

r – promień pola widzenia

Metoda ta może być stosowana do liczenia bakterii i grzybów.

1. Metoda DELT

Polega na liczeniu pod mikroskopem drobnoustrojów na filtrze membranowym o porach 0,45 μm, po uprzednim ich wybarwieniu fluorochromami. Badane próbki mogą być poddane wstępnej obróbce enzymatycznej. Po filtracji komórki barwi się oranżem akrydyny i liczy w mikroskopie fluorescencyjnym. Barwienie umożliwia odróżnianie komórek żywych od martwych; żywe komórki fluoryzują na pomarańczowo lub żółto, martwe na zielono.

1. Metody hodowlane pomiaru ilości drobnoustrojów.

Metody hodowlane (pośrednie) oparte są na zdolności drobnoustrojów do rozmnażania, dzięki czemu oznacza się tylko żywe komórki zdolne do wzrostu w pożywkach płynnych (metoda rozcieńczeniowa) lub w pożywkach stałych (metoda płytkowa i jej modyfikacje).

Metoda rozcieńczeń (NPL)

Metoda seryjnych rozcieńczeń Listera należy do klasycznych technik stosowanych do określania liczby drobnoustrojów oraz izolowania czystych hodowli ze środowiska płynnego. Zasada tej metody polega na wieloetapowym rozcieńczaniu badanej zawiesiny, tak, aby w 1cm³ znajdowała się 1 komórka. Z kolejnych rozcieńczeń wykonuje się posiewy, po 1 cm³, do pożywek płynnych, co najmniej w 2 powtórzeniach. Po inkubacji określa się ilość prób dodatnich, tj. takich, w których rosną drobnoustroje. Korzystając z tablic McCrady’ego ujmujących statystycznie ilość prób ze wzrostem drobnoustrojów, rozcieńczeniem i ilością powtórzeń wylicza się w oparciu o rachunek prawdopodobieństwa NPL, czyli najbardziej prawdopodobną liczbę drobnoustrojów w 1 cm³ badanej próby. Dokładność metody zależy od przygotowania właściwych rozcieńczeń i od ilości równoległych prób. Warunkiem jest przygotowanie takiego szeregu rozcieńczeń, aby w ostatnim nie były już obecne mikroorganizmy. Jest to metoda czasochłonna, pracochłonna i coraz rzadziej stosowana.

Metoda płytkowa

Zasada metody polega na wysiewie odpowiednio rozcieńczonej zawiesiny drobnoustrojów na pożywkę stała, inkubacji i liczeniu wyrosłych kolonii. Wyniki otrzymywane ta metoda są zawsze niższe niż rzeczywiste, ponieważ liczy się na płytkach tylko kolonie tych drobnoustrojów, które są zdolne do wzrostu na danej pożywce i w danych warunkach. Dodatkowym czynnikiem obniżającym wyniki oznaczeń jest występowanie niektórych bakterii w skupiskach i łańcuszkach. Technika wysiewu na płytki wymaga zachowania następującej procedury:

1. rozcieńczenie zawiesiny

Badaną próbę należy tak rozcieńczyć, aby po wysiewie na płytkę wyrosło od 30 – 300 kolonii. Rozcieńczenia najczęściej przygotowuje się w jałowej soli fizjologicznej lub płynie Ringera.

1. posiew na płytki Petriego

Posiew można wykonywać metoda wgłębną lub powierzchniową. Powinny być wykonywane z dużych rozcieńczeń, w co najmniej dwóch powtórzeniach.

1. inkubacja

Płytki z posiewami inkubuje się w temperaturze optymalnej dla wzrostu określonej grupy mikroorganizmów.

1. liczenie

Po inkubacji liczy się wyrosłe kolonie na płytkach, odrzucając płytki niepoliczalne (z ilością kolonii powyżej 300).

Modyfikacje metody płytkowej

Tradycyjna metoda liczenia drobnoustrojów na pożywce stałej doczekała się wielu modyfikacji, które w znacznym stopniu ja upraszczają. Automatyzacja podstawowych etapów, takich jak: rozcieńczanie badanej próby, posiew i liczenie drobnoustrojów zmniejsza pracochłonność i czasochłonność wykonywanych badań.

1. metoda filtrów membranowych

Jest stosowana do określania ilości drobnoustrojów w środowiskach, przeważnie wodnych, w których ilość ich jest niewielka, poniżej 20-30 komórek w 1 cm³. Zasada tej metody polega na przesączeniu określonej objętości badanego płynu (lub rozpuszczonej substancji stałej) przez filtr membranowy o wielkości porów 0,2-0,4 μm. Filtracja odbywa się dzięki wytworzeniu podciśnienia w kolbie ssawkowej za pomocą pompki wodnej lub mechanicznej. Ilość cieczy przeznaczonej do filtracji dobiera się według przewidywanej liczby mikroorganizmów w badanej próbie. Zatrzymane na filtrze drobnoustroje rozwijają się poprzez umieszczenie filtru na powierzchni płytki Petriego z odpowiednią pożywką agarowa. Płytki inkubuje się w temperaturze optymalnej dla wzrostu danych mikroorganizmów w czasie 24-48 godz. Po inkubacji ilość kolonii, które wyrosły na powierzchni filtru odpowiada liczbie drobnoustrojów, znajdujących się w badanej objętości płynu.

1. wykorzystanie Petrifilmów

Petrifilmy są jałowymi plastykowymi płytkami zawierającymi gotowe pożywki hodowlane przykryte folią polietylenową. Specjalny indykator dodany do pożywek zabarwia kolonie drobnoustrojów, przez co są one lepiej widoczne. Na płytkach są zaznaczone kwadraty o powierzchni 1 cm³ ułatwiające liczenie wyrosłych kolonii. Posiewu dokonuje się za pomocą pipety, nanosząc 1 cm³ badanej próbki lub jej rozcieńczenia na środek płytki, następnie przykrywa się folia i dociska specjalnym krążkiem w celu równomiernego rozprowadzenia próbki po całej powierzchni pożywki. Po inkubacji płytek w określonych warunkach liczy się wyrosłe kolonie.

1. Płytki kontaktowe – testy łopatkowe

Testy te są przeznaczone do szybkiej oceny jakości mikrobiologicznej produktów oraz kontroli stanu higienicznego. Zastosowano w nich technikę wzrostu drobnoustrojów na pożywce agarowej nałożonej na obydwie strony płytki, która jest umieszczona w sterylnej fiolce. Producenci oferują zestawy do określania ogólnej liczby drobnoustrojów, liczby drożdży i pleśni, obecności bakterii z rodzaju Enterobacteriaceae, identyfikacji bakterii E. coli, oraz bakterii z rodzaju Pseudomonas.

1. Metoda posiewów spiralnych

W metodzie tej następuje rozprowadzenie mikropipetą badanego materiału po powierzchni płytki agarowej w postaci spirali Archimedesa, biegnącej spiralnie od centrum płytki do jej brzegów. W urządzeniu służącym do posiewów tą metoda silnik elektryczny obraca podstawę, w której umieszcza się otwartą płytkę Petriego z pożywką agarową. Liczenie drobnoustrojów odbywa się przez umieszczenie pod płytką wzorcowej siatki podzielonej na 8 sektorów, będących wycinkami koła.

1. Tworzenie się biocenoz w środowiskach.

Niezależnie od poglądu, że mikroorganizmy znajdziemy wszędzie, są środowiska ich pozbawione. Są to np. tereny objęte spływem lawy, świeżo odkryte powierzchnie skał, tkanki żywych, zdrowych organizmów wyższych czy surowce spożywcze i produkty wyjałowione. Takie środowiska są doskonałymi modelowymi warunkami do obserwowania tworzenia się biocenoz. Stwierdzono, że w podobnych warunkach ekologicznych kolejność zmian wykazuje pewną prawidłowość. Zjawiska te nazwano sukcesją ekologiczną. Wyróżniamy dwa typy sukcesji ekologicznej: pierwotną i wtórną.

W ekosystemach w miarę upływu czasu zmienia się stan gatunkowy roślin i zwierząt oraz warunki środowiskowe. Zmiany w ekosystemie mogą być antropogeniczne (wywołane działalnością człowieka) oraz naturalne. Zmiany naturalne mogą być sezonowe, odwracalne. Mogą wystąpić zmiany naturalne wieloletnie, nazywane sukcesjami. Sukcesje są procesami nieodwracalnymi, trwającymi do ustalenia pełnej równowagi między asymilacją (produkcja), a dysymilacją (konsumpcją). Równowaga osiągana jest w stadium nazywanym klimaksem (najbardziej stabilne studium sukcesji). Sukcesja jest procesem kierunkowych zmian biocenozy, powodujących przeobrażenie się prostych ekosystemów w bardziej złożone. Mechanizm sukcesji polega na tym, że organizmu przekształcając środowisko, w czasie bytowania w nim, czynią je przydatnym do innych organizmów.

1. Sukcesja pierwotna, przykłady.

Sukcesja pierwotna – występuje na terenach dziewiczych, pozbawionych jakichkolwiek organizmów. Miejsca objęte sukcesją pierwotną to: wydma, skała, hałda, zatopiony statek. Sukcesja pierwotna jest właściwa dla środowisk, w których dotąd nie istniało życie, np. na świeżo odkrytych skałach. Rozwój biocenoz w takich środowiskach zaczyna się od gatunków pierwotnych, czyli tzw. mikroorganizmów pionierskich, które stopniowo zmieniają środowisko , przez co staje się bogatsze w różne gatunki i w ich odrębnie w ilości osobników.

Gatunki pionierskie zazwyczaj cechują się zdolnością ruchu lub zdolnością do przeżycia w powietrzu. Daje im to szansę dotarcia do określonego siedliska. Rodzaj gatunków pionierskich, zależy od charakteru chemicznego i parametrów fizycznych zasiedlanego środowiska. W środowiskach jałowych o bardzo ubogim składzie odżywczym w warunkach sukcesji pierwotnej pierwszymi gatunkami mikroorganizmów są producenci, tj. mikroorganizmy fotoautotroficzne i chemolitotroficzne o bardzo małych wymaganiach pokarmowych. Najczęściej mikroorganizmami pionierskimi w takich środowiskach są sinice lub glony. Biomasa tych organizmów po śmierci stanowi doskonały, pełnowartościowy materiał budulcowy, dzięki któremu mogą pojawić się reducenci i konsumenci, czyli mikroorganizmy chemoorganotroficzne. Ze względu na z reguły dużą szybkość wzrostu bakterie chemoorganotroficzne stają się okresowo dominującymi w populacji. Jednakże po wyczerpaniu nagromadzonych składników pokarmowych może dojść do ponownego powrotu organizmów autotroficznych.

W środowiskach jałowych, lecz bogatych odżywczo, np. po wprowadzeniu zanieczyszczeń organicznych do wód czy też w tkankach zwierząt po uboju, czy otwarciu jałowych produktów lub surowców spożywczych jako pierwsze pojawiają się mikroorganizmy organotroficzne, wyspecjalizowane w zdolności wykorzystywanie określonych odżywczych składników chemicznych. Jeżeli jest to środowisko bogate, lecz homogenne składem, wtedy zespół mikroorganizmów pionierskich jest bogaty ilościowo, ale jednorodny gatunkowo. W przypadku środowiska o zróżnicowanym składzie chemicznym obserwuje się biocenozy o bogatym układzie gatunkowym. Jako pierwsze rozwijają się gatunki o najmniejszej liczebności i najwyższej szybkości wzrostu. Kolejno rozwijają się gatunki wolniej rosnące lub wykorzystujące produkty metabolizmu poprzedników.

1. Sukcesja wtórna, przykłady.

Sukcesja wtórna – występuje na miejscu zniszczonego ekosystemu lub na obszarach zajętych przez inną biocenozę. Sukcesja wtórna zachodzi o wiele szybciej niż pierwotna (od kilku do kilkudziesięciu lat). Miejscem występowania sukcesji wtórnej jest: pozbawione upraw pole, zarastający staw, pozostawiony bez opieki trawnik.

Sukcesja wtórna polega na rozwinięciu biocenoz mikroorganizmów z pominięciem fazy pionierskiej. Takie tworzenie się biocenoz występuje w środowiskach, w których zakłócono istniejący zespół na skutek klęski żywiołowej lub ingerencji człowieka. Przykładem może być zbiornik wody, w którym została zniszczona naturalna biocenoza na skutek suszy czy suszenia wody. W przypadku działalności człowieka w przetwórstwie spożywczym może to być pasteryzacja surowca lub produktu. W wyniku tego zabiegu dochodzi do zabicia części mikroorganizmów, czyli usunięcia części ekosystemu. Takie środowiska są z reguły bogate w składniki odżywcze, co pozwala na równomierny rozwój różnych grup mikroorganizmów, mikroorganizmów układzie jednak z reguły niespecyficznym dla składu chemicznego danego środowiska.

1. Systemy oddziaływania bezpośredniego.

Symbiozą nazywamy taki rodzaj współzależności dwóch lub więcej różnych gatunków ściśle od siebie zależnych, które bez obecności partnera rozwijają się bardzo słabo lub wcale nie rosną. Taki rodzaj współzależności jest również nazywany mutualizmem. Znane są przykłady oddziaływania symbiotycznego między samymi mikroorganizmami, jak i miedzy mikroorganizmami i organizmami wyższymi w tym również człowiekiem np. mikroflora jelitowa.

Pasożytnictwo – jest rozumiane jako współzależność, w której jeden z partnerów (pasożyt) osiąga korzyści, natomiast drugi partner (gospodarz) nie ponosi lub ponosi szkody. W pierwszym przypadku pasożytnictwo dotyczy rozkładu martwych szczątków roślin czy zwierząt. Ten rodzaj pasożytnictwa jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie i jest decydującym dla zapewnienia obiegu pierwiastków. Drugi rodzaj pasożytnictwa występuje wtedy, gdy gospodarzem jest organizm żywy. W świecie mikroorganizmów tego rodzaju pasożytnictwo jest stosunkowo mało poznane. Przykładem mogą być bakteriofagi atakujące komórki bakterii.

Drapieżnictwo – jest systemem, który rozumiany jest najczęściej jako odżywianie się jednych mikroorganizmów innymi. W świecie zwierząt jest to system współzależności bardzo często spotykany, natomiast między mikroorganizmami należy do rzadkości. Najbardziej typowym przykładem pasożytnictwa u mikroorganizmów jest odżywianie się pierwotniaków bakteriami. Jest to zjawisko szczególnie widoczne w zbiornikach wodnych, osadach czynnych, ściekach. Główną rolę w eliminowaniu bakterii ściekowych przypisuje się orzęskom i wiciowcom.

1. Systemy oddziaływania pośredniego.

Oddziaływanie pośrednie – zachodzące poprzez środowisko. Warunek: odpowiednio bliskie sąsiedztwo organizmów, tak by stworzone metabolity czy zmiany parametrów fizycznych środowiska mogły wywierać wpływ na partnerów. Efekt: zwiększenie/osłabienie wzrostu lub brak wpływu.

W przyrodzie współzależności miedzy mikroorganizmami zachodzące poprzez środowisko występują niezwykle często. Warunkiem niezbędnym jest jednak odpowiednio bliskie sąsiedztwo organizmów, tak, aby tworzone metabolity czy zmiany parametrów fizycznych środowiska, mogły wywierać wpływ na partnerów.

Protokooperacja – często określana jako pośrednia symbioza. Jest to system, w którym wszystkie powiązane ze sobą mikroorganizmy odnoszą korzyść. W tym systemie nie ma konieczności współistnienia, jednakże wspólne bytowanie jest korzystne dla partnerów i objawia się zwiększeniem szybkości wzrostu i wyższą aktywnością metaboliczna, większą ekspansywnością w środowisku lub większą tolerancja na zmienione warunki bytowania.

Komensalizm – oznacza współzależność, w wyniku której jeden z partnerów odnosi korzyści, natomiast drugi nie podlega wpływowi, istnienie partnera jest dla niego obojętne. Jest to tzw. jednostronna korzyść, z reguły tego typu zależności są w małym stopniu swoiste.

Konkurencja – jest formą współżycia, w której obydwaj partnerzy współzawodniczą o deficytowy i ważny dla nich składnik pokarmowy bądź też o światło, wodę czy przestrzeń życiową. Konkurencja występuje tylko w takich przypadkach, gdy zasoby substancji potrzebnej dla rozwoju obydwu grup są zbyt małe, aby zabezpieczyć potrzeby współistniejących mikroorganizmów. Współzawodniczące mikroorganizmy nie szkodzą sobie nawzajem, lecz walczą o zaspokojenie własnych potrzeb.

Amensalizm – często określany jest antagonizmem; forma współzależności, w wyniku której rozwój jednej populacji jest zahamowany przez substancje wytwarzane przez partnera. W tym środowisku drapieżnictwo pierwotniaków jest uznawane jako efekt korzystny, pozwalający na redukcje substancji antagonistycznych może być korzystne dla wytwarzającego je mikroorganizmu. Osłabianie szybkości wzrostu wrażliwych partnerów lub ich eliminowanie daje producentowi szanse uzyskania przewagi w ekosystemie i ekspansji środowiska. Jest to szczególnie istotne dla mikroorganizmów wolno rosnących, które mają małe możliwości konkurowania z innymi mieszkańcami biocenozy. Często substancje antagonistyczne są traktowane jako "broń" mikroorganizmów w walce o przetrwanie w środowisku.

1. Oddziaływanie symbiotyczne między mikroorganizmami, przykłady, znaczenie ekologiczne.

Symbiozą nazywamy taki rodzaj współzależności dwóch lub więcej różnych gatunków ściśle od siebie zależnych, które bez obecności partnera rozwijają się bardzo słabo lub wcale nie rosną. Taki rodzaj współzależności jest również nazywany mutualizmem lub symbiozą mutualistyczną. Znane są przykłady oddziaływania symbiotycznego miedzy samymi mikroorganizmami, jak i miedzy mikroorganizmami i organizmami wyższymi, w tym również człowiekiem.

Główne kierunki korzystnego oddziaływania na siebie symbiontów są wynikiem:

• wymiany składników pokarmowych,

• przekształcania przez mikrosymbionty nieprzyswajalnych dla organizmu wyższego substancji pokarmowych,

• dostarczania substancji wzrostowych,

• zaopatrywania w składniki mineralne,

• wykorzystywania i w ten sposób usuwania produktów metabolizmu toksycznych dla organizmu partnera,

• ochrony przed szkodliwymi czynnikami środowiskowymi,

• zmiany parametrów środowiska.

SYMBIOZA MIĘDZY MIKROORGANIZMAMI

• Zespoły porostów – złożone z układów glonów lub sinic z grzybami. W poroście grzyb i glon są tak ściśle powiązane, że stanowią jeden organizm wegetatywny; grzybnia oplata całkowicie komórki glonów, niekiedy strzępki grzybni wnikają do wnętrza komórek glonów.

• glony zaopatrują komórki grzybów w organiczne substancje pokarmowe tworzone dzięki fotosyntetyzującej zdolności wiązania CO₂

• grzyby dostarczają glonom soli mineralnych oraz chronią przed niekorzystnymi warunkami środowiskowymi

  • Zespoły pierwotniaków i bakterii (endosymbioza)

Bakterie odgrywają rolę w trawieniu pewnych składników pokarmowych nieprzyswajalnych przez pierwotniaki; u pierwotniaków, które jedynie prowadzą glikolizę z wytworzeniem kwasu mlekowego spełniają funkcję podobną do mitochondriów – prowadząc oddychanie tlenowe; niektóre dostarczają pierwotniakom witamin, których nie potrafią syntetyzować.

• Zespoły glonów i bakterii (endosymbioza)

• Biofilm – mikrokolonie drobnoustrojów osadzonych na powierzchniach stałych, które mają okresowy lub ciągły kontakt ze środowiskiem ciekłym – zagrożenie w instalacjach wody pitnej, przemysłu spożywczego, na powierzchniach implantów i protez stomatologicznych.

SYMBIOZA MIĘDZY MIKROORGANIZMAMI I ORGANIZMAMI WYŻSZYMI

• Mikroorganizmy i rośliny – bakterie z rodzajów Sinorhizobium, Rhizobium i Bradyrhizobium + rośliny motylkowe

Bakterie asymilują azot atmosferyczny, rośliny dostarczają składników pokarmowych i chronią.

• Mikroorganizmy i zwierzęta przeżuwające

Mikroorganizmy rozkładają celulozę (bakterie celulolityczne, orzęski), uwolniona glukoza podlega fermentacji z wytworzeniem lotnych kwasów tłuszczowych (octowego, propionowego, masłowego), kwasy stanowią źródło energii dla zwierząt przeżuwających. Mikroorganizmy syntetyzują również aminokwasy i witaminy.

• Mikroorganizmy i człowiek – mikroflora jelitowa – złożony ekosystem

Mikroorganizmy syntetyzują witaminy, gł. z grupy B, współuczestniczą w trawieniu składników pokarmowych oraz ochronie człowieka przed nadmiernym rozwojem patogenów jelitowych.

1. Drapieżnictwo w świecie mikroorganizmów, przykłady, znaczenie biotechnologiczne.

Jest systemem, który rozumiany jest najczęściej jako odżywianie się jednych mikroorganizmów innymi. W świecie zwierząt jest to system współzależności bardzo często spotykany, natomiast między mikroorganizmami należy do rzadkości.

Najbardziej typowym przykładem pasożytnictwa u mikroorganizmów jest odżywianie się pierwotniaków bakteriami. Jest to zjawisko szczególnie widoczne w zbiornikach wodnych, osadach czynnych, ściekach. W tym środowisku drapieżnictwo pierwotniaków jest uznawane jako efekt korzystny, pozwalający na redukcję ilości osadu czynnego. Główną rolą w eliminowaniu bakterii ściekowych przypisuje się orzęskom i wiciowcom. Obecność i odpowiednia ilość pierwotniaków w osadzie czynnym jest uznawana jako wskaźnik dobrze skojarzonej biocenozy. Podobne zależności można również spotkać w glebie, gdzie pierwotniaki będą żywiły się bakteriami, do najpowszechniej spotykanych drapieżców będą tu należały wiciowce i ameby. Zależność drapieżca — ofiara występuje również między pierwotniakami i bakteriami w żołądku zwierząt przeżuwających.

1. Komensalizm w świecie mikroorganizmów, przykłady, znaczenie biotechnologiczne.

Oznacza współzależność, w wyniku której jeden z partnerów odnosi korzyści, natomiast drugi nie podlega wpływowi, istnienie partnera jest dla niego obojętne. Jest to tzw. jednostronna korzyść, z reguły tego typu zależności są w małym stopniu swoiste. Komensalizm najczęściej polega na:

• przeprowadzeniu przez jednego z mikroorganizmów substratów pokarmowych nieprzyswajalnych przez partnera, w produkty, które może wykorzystać jako składniki

W wodzie i glebie ten rodzaj zależności jest dość powszechny i najczęściej polega na rozkładzie sacharydów lub białek do produktów łatwo przyswajalnych przez partnerów.

Mikroorganizmy glebowe, niezdolne do wykorzystywania takich sacharydów jak celuloza czy hemicelulozy, zależne są od grzybów wydzielających do środowiska enzymy hydrolityczne rozkładające te substraty. Podobnie niektóre mikroorganizmy zdolne do wykorzystywania aminokwasów jako źródła azotu, zależne są od obecności bakterii proteolitycznych czyniących białka przyswajalnymi dla partnerów.

• tworzeniu przez jednego ze współmieszkańców ekosystemu substancji wzrostowych np. witamin stymulujących wzrost partnerów

• rozkładzie lub wykorzystywaniu w środowisku substancji hamujących wzrost partnerów

Przykładem może być zależność między mikroorganizmami tlenowymi i beztlenowymi, polegająca na wykorzystaniu tlenu przez mikroorganizmy tlenowe i w ten sposób umożliwienie wzrostu beztlenowcom. Zależność ta została wykorzystana w hodowli bakterii beztlenowych metodą Fortnera. Korzystne warunki mogą być stworzone również przez zmniejszenie lub podwyższenie pH środowiska. Przykładem jest wykorzystywanie kwasów organicznych, przez co stwarzane są korzystne warunki dla wzrostu partnerów wrażliwych na obecność tych kwasów. Silnie toksyczny H₂S wytwarzany przez bakterie proteolityczne podczas rozkładu białek wykorzystywany jest przez bakterie siarkowe, które utleniają go do wolnej siarki.

W środowiskach naturalnych lub spożywczych o bogatym składzie chemicznym, często zależności komensalne mają charakter wielostopniowy. Wówczas zwane jest to metabiozą lub sukcesją. Przykładem mogą być przemiany zachodzące w mleku. Początkowo rozwijają się dominujące w środowisku bakterie fermentacji mlekowej zdolne do rozkładu laktozy. W wyniku fermentacji mlekowej następuje zakwaszenie środowiska i zahamowanie wzrostu bakterii mlekowych. Powstają warunki do rozwoju grzybów np. pleśni Geotrichum candidum czy drożdży Candida wykorzystujących kwas mlekowy jako źródło węgla. Prowadzi to do odkwaszenia środowiska, co umożliwia rozwój bakterii gnilnych Pseudomonas i Bacillus, prowadzących rozkład białek.

1. Protokooperacyjne powiązania wśród mikroorganizmów, przykłady, znaczenie biotechnologiczne.

Protokooperacja (pośrednia symbioza) – system, w którym wszystkie powiązane ze sobą mikroorganizmy odnoszą korzyść. W systemie tym nie ma konieczności współistnienia, ale wspólne bytowanie jest korzystne dla partnerów i objawia się:

• zwiększeniem szybkości wzrostu

• wyższą aktywnością metaboliczną

• większą ekspansywnością w środowisku

• większą tolerancją na zmienione warunki bytowania

Współzależności protokooperacyjne polegają na:

• wzajemnym uprzystępnianiu składników pokarmowych

• zespół bakterii celulolitycznych i bakterii asymilujących azot atmosferyczny (rodzaj Azotobacter)

Bakterie Azotobacter – dostarczają partnerom zredukowanych (przyswajalnych) związków azotu, bakterie celulolityczne degradując celulozę, zaopatrują zespół w łatwo przyswajalne źródło węgla (glukozę)

• wzajemnej wymianie gazów CO₂ i O₂

• heterotroficzne bakterie tlenowe i glony w ściekach.

Podczas mineralizacji związków organicznych bakterie wydzielają duże ilości CO₂, który jest wykorzystywany przez fotoautotroficzne glony i sinice jako źródło węgla. Glony w wyniku metabolizmu fotosyntetycznego zaopatrują partnerów w tlen.

• bakterie tlenowe i beztlenowe w glebie

Tlenowce wykorzystują tlen stwarzając warunki beztlenowe, organizmy tlenowe natomiast wykorzystują niektóre produkty beztlenowego metabolizmu partnerów.

• wytwarzaniu i wzajemnej wymianie substancji wzrostowych

  • bakterie jogurtowe

Paciorkowce opanowują środowisko jako szybciej rosnące, produkują kwas mlekowy, octowy, aldehyd octowy, diacetyl i kwas mrówkowy, którego obecność, jak również obniżony potencjał oksydoredukcyjny środowiska sprzyjają rozwojowi pałeczek jogurtowych, natomiast pałeczki uwalniają niskocząsteczkowe peptydy i aminokwasy z białek mleka, co stymuluje rozwój proteolitycznych szczepów Streptococcus thermophilus.

• mikroflora ziaren kefirowych (tzw. grzybków kefirowych)

Zespół różnych bakterii fermentacji mlekowej i drożdży (Candida, Saccharomyces). Bakterie mlekowe, hydrolizując laktozę oraz zakwaszając środowisko, stwarzają korzystne warunki rozwoju dla drożdży, natomiast drożdże syntetyzują witaminy z grupy B, od których zależy dobry wzrost bakterii mlekowych.

• wytwarzanie substancji stymulujących wzrost i usuwanie metabolitów toksycznych

  • bakterie i grzyby

Bakterie fermentujące cukry wytwarzają kwasy organiczne (substancje toksyczne), które dla grzybów stanowią źródło węgla; np. bakterie fermentacji mlekowej z grzybami Geotrichum candidum lub Candida mycoderma.

1. Konkurencja i amensalizm jako formy współzależności wśród mikroorganizmów.

Konkurencja – obydwaj partnerzy współzawodniczą o deficytowy i ważny dla nich składnik pokarmowy bądź też o światło, wodę czy przestrzeń życiową. Występuje w przypadku, gdy zasoby substancji potrzebnej do rozwoju są zbyt małe, aby zabezpieczyć potrzeby współistniejących mikroorganizmów. Najostrzejsza konkurencja występuje między organizmami o podobnych parametrach wzrostu i podobnych wymaganiach pokarmowych:

• sinice i glony – konkurencja o światło i CO₂

• promieniowce i pleśnie – konkurencja o składniki odżywcze

Partner słabszy, wolniej rosnący, o ubogim metabolizmie, wyższych wymaganiach pokarmowych musi przegrać.

Szansa wygrania walki konkurencyjnej jest głównie uzależniona od:

• szybkości wzrostu i namnażania

• wydajności na czynniki środowiska

• wydajności energetycznej podczas metabolizowania składników pokarmowych

• wymagań w stosunku do substancji wzrostowych

  • zdolności do gromadzenia substancji zapasowych i wykorzystywania ich, gdy środowisko ubożeje

• zdolności do ruchu lub rozrastania się w postaci strzępek, czyli zdolności do tzw. ekspansji środowiska

Amensalizm – rozwój jednej populacji jest hamowany przez substancje wytwarzane przez partnera. Substancje antagonistyczne są wykorzystywane w walce drobnoustrojów o środowisko. Osłabienie wzrostu wrażliwych partnerów lub ich wyeliminowanie daje producentowi szansę ekspansji w środowisku.

W tym środowisku drapieżnictwo pierwotniaków jest uznawane jako efekt korzystny, pozwalający na redukcję substancji antagonistycznych może być korzystne dla wytwarzającego je mikroorganizmu. Osłabianie szybkości wzrostu wrażliwych partnerów lub ich eliminowanie daje producentowi szanse uzyskana przewagi w ekosystemie i ekspansji środowiska. Jest to szczególnie istotne dla mikroorganizmów wolno rosnących, które mają małe możliwości konkurowania z innymi mieszkańcami biocenozy. Często substancje antagonistyczne są traktowane jako „broń” mikroorganizmów w walce o przetrwanie środowisku.

Antybioza – amensalizm będący wynikiem produkcji substancji antybiotycznych.

Wykorzystanie amensalizmu:

• utrwalanie surowców i produktów spożywczych – tworzone na drodze mikrobiologicznej kwasy organiczne zwiększają stabilność biologiczną żywności fermentowanej. Obniżenie pH na skutek rozwoju bakterii fermentacji mlekowej hamuje wzrost wielu bakterii, w tym chorobotwórczych. Czynnikiem stabilizującym żywność jest również H₂O₂ produkowany m.in. przez Lactobacillus. Szczególnie wrażliwe na H₂O₂ są beztlenowce Clostridium.

• produkcja antybiotyków