Wykład nr. 2. Data: 18.03.2011.

Wpływ środowiska na rozwój drobnoustrojów.

Znajomość wpływu różnych czynników.

1. Fizyczne

- temperatura

- ciśnienie

- promieniowanie świetlne

1. Chemiczne

- woda

- tlen

- substancje odżywcze

Biotechnologia

Szybkość wzrostu drobnoustrojów, aktywności, ich metabolizm nie jest uzależniona wyłącznie od ich budowy i właściwości fizjologicznych ale również od warunków środowiska w jakim się znajdują

Woda

Zawartość wody w środowisku warunkuje wzrost i rozwój drobnoustrojów. Różne grupy drobnoustrojów wymagają różnej ilości wody. Wpływa to na ich procesy życiowe i prowadzi najpierw do ich funkcji. Woda spełnia przede wszystkim rolę rozpuszczalnika.

Większość drobnoustrojów jest w stanie wyrównać zapotrzebowanie na wodę przez absorpcję wilgoci z substancji stałych lub powietrza (np. pleśnie)

Drobnoustroje zdolne do wzrostu przy niskiej zawartości wody to ksantofile.

Szczególnie wrażliwe na brak wody są bakterie.

Drobnoustroje wykazują różną tendencję na ciśnienie osmotyczne co przeważnie związane jest z budową ich ściany komórkowej.

Zwiększanie ciśnienia osmotycznego środowiska powoduje odciągnięcie wody z komórki, co z kolei może prowadzić do zaburzenia w metabolizmie (zmiany fizjologiczne).

Drobnoustroje, które mogą rosnąć przy wysokim ciśnieniu osmotycznym są osmotolerancyjne. Są to przede wszystkim grzyby, wiele gatunków drożdży, a z bakterii np. gronkowiec złocisty.

Osmofile- organizmy tolerujący wysokie ciśnienie osmotyczne.

Halofile – organizmy słonolubne

Tlen

Ze względu na różne wymaganie drobnoustroje dzielimy na:

1. Tlenowce ( obligatoryjne aeroby ) bakterie Bacillus, drożdże, pleśnie

2. Beztlenowce (obligatoryjne anaeroby ) Clostridium botulinum, Clostridium tetani (tężec)

3. Względne beztlenowce ( fakultatywne aeroby ) Bakterie mlekowe.

Dla tlenowców brak tlenu jest zabójczy, dla beztlenowców zabójczy jest tlen.

Drobnoustroje przyswajają tlen tylko rozpuszczony w wodzie!

pH środowiska

Kwasowość środowiska stanowi ważny element rozwoju drobnoustrojów. Manipulując tym parametrem można skutecznie zahamować, a nawet zabić niektóre drobnoustroje.

Bakterie pH 6,5-7,8 – szczególnie patogeniczne, gnilne, grupy promieniowców.

Niektóre zdolne do życia i rozmnażania w szerokich granicach pH 4,5 – 9,5 np. gronkowiec złocisty, paciorkowce kołowe, szczególną grupą są bakterie kwaszące (mlekowe, octowe), które lepiej rozwijają się w środowisku kwaśnym.

Drożdże i pleśnie również lepiej rozwijają się w środowisku kwaśnym.

Temperatura

Większość procesów biologicznych zależy od temperatury.

Ich intensywność zmienia się wraz z obniżeniem/podwyższeniem temperatury środowiska.

Ogólnie można je opisać jako temperatury kardynalne

1. Minimalne poniżej których wzrost drobnoustrojów zostaje stopniowo zahamowany

2. Optymalne większość procesów biologicznych i rozmnażanie najintensywniejsze

3. Maksymalne powyżej których następuje zahamowanie wzrostu, spowolnienia procesów życiowych aż do początków denaturacji białka a więc zamieranie komórki.

Zakresy tych trzech grup są różne dla poszczególnych gatunków drobnoustrojów z tego m.in. względu drobnoustroje podzielono na trzy grupy.

1. Psychrofile – zimnolubne – optimum wzrostu poniżej 20°C. Jest to ważna grupa drobnoustrojów z punktu widzenia chłodnictwa, zamrażalnictwa, przechowywania żywności w obniżonej temperaturze.

- drobnoustroje psychorotrofowe zimno tolerancyjne. Mogą rozmnażać się w temperaturze 7°C i niższej bez względu na ich optymalną temperaturę rozwoju.

Prawie w każdej grupie mezofili średniociepłolubnych występują szczepy psychorotrofowe.

1. Mezofile – jest wiele drobnoustrojów pasożytniczych i saprofitów.

Niektóre bakterie są bardzo wrażliwe nawet na najmniejsze wahanie temperatur np. krętki blade czy zalążki rzeżączki.

1. Termofile – szeroko rozpowszechnione w przyrodzie żyjące w gorących źródłach, nawozach, w fermentujących resztkach roślin, w jelitach.

Najwyższa temperatura w jakiej stwierdzono obecność bakterii to 98°C

Wyróżnia się:

- stenotermofile - rosną tylko w temp 60°C i wyżej

- euro termofile – rosną w 30°C i 60°C

Termofile zawierają w błonie komórkowej dużo nienasyconych kwasów tłuszczowych, a także fosfolipidów i karotenoidów.

Grzyby i glony nie rosną w temperaturze powyżej 56°C.

Sposoby odżywiania się drobnoustrojów.

- pobierają składniki pokarmowe oraz wydzielają produkty przemiany materii metabolicznych bezpośrednio przez ścianę komórkową. Komórka może pobierać substancje drobnocząsteczkowe

- pobierają związki wyłącznie rozpuszczone w wodzie.

- rozkładają złożone związki do prostych.

Drobnoustroje, które pobierają składniki pokarmowe z obumarłej substancji organicznej.

Saprofity – złożone substancje mogą być rozkładane stopniowe przez kolejne gatunki saprofitów.

Takie procesy mają znaczenie w obiegu substancji organicznych w przyrodzie

Drapieżnictwo – sposób odżywiania się zwierząt, polegający na wykorzystaniu jako pokarm ciała innego zwierzęcia i w odróżnieniu od pasożytnictwa prowadzący do śmierci ofiary.

Pasożytnictwo – żerują na innych organizmach ale ich nie zabijają. Pasożyt odnosi korzyści kosztem gospodarz on natomiast szkody. Pasożyty wywołujące chorobę lub śmierć to patogeny. Ale nie wszystkie pasożyty są patogenami i odwrotnie.

Clostridium botulinum – wywołuje ciężkie zatrucia pokarmowe, wytwarza jad kiełbasiany, działa na układ nerwowy, toksyczna, w ludzkim organizmie nie może się rozwinąć

- Autotrofy – samożywne, dla których źródłem węgla jest tylko CO₂

-- fototrofy

-- chemolitotrofy

- Heterotrofy – cudzożywne, dla których źródłem węgla są związki organiczne.

Reakcje metaboliczne wymagają energii, które uzyskują z ATP.

-- fototrofy

-- chemotrofy

-- chemoorganotrofy

-- chemolitotrofy

Heterotrofy dzielą się na:

Prototrofy – w pełni wykształcone związki organiczne zawarte w podłożu, a do wzrostu może im wystarczyć tylko jeden związek organiczny

Auksotrofy – utraciły zdolność syntetyzowania określonego składnika, który jest niezbędny do wzrostu.

Wymagają do swego wzrostu : witamin, minerałów.

3 grupy czynników wzrostowych:

1. Aminokwasy

2. Zasady purynowe i pirymidynowe

3. Witaminy

Aminokwasy są składnikami białek, a zasady kwasów nukleinowych. Niezbędne są w dużych ilościach.

Witaminy są składnikami koenzymów lub grup prostetycznych enzymów czyli działają jako katalizatory dlatego też potrzebne są w niewielkich ilościach.

Wszystkie organizmy wymagające do swego wzrostu czynników wzrostowych = Auksotrofy.

Natomiast te, które nie są uzależnione od składników odżywczych = Prototrofy.

Wzrost mikroorganizmów i pobieranie przez nie substancji odżywczych uzależnione jest od obecności wody, to w wodzie rozpuszczone są tlen i związki pokarmowe. Tylko w postaci roztworów mogą być pobierane przez komórkę.

Jedną z cech szczególnych jest zdolność i adaptacja do nowych warunków środowiskach.

Dzięki zdolności adaptacji drobnoustroje mogą przeżyć w warunkach krańcowych.

Wzajemne zależności między drobnoustrojami

W środowisku czynnikiem determinującym rozwój lub zanik pewnych grup drobnoustrojów jest

- ilość pożywienia

- jakość pożywienia

- zawartość wody

- temperatura

- kwasowość lub alkaiczność

- dostęp tlenu lub jego brak

- ciśnienie osmotyczne

- zawartość soli

Oddziaływanie czynników fizycznych, biologicznych i chemicznych w jakimś ekosystemie powoduje ograniczenie liczebności, biomasy albo aktywności populacji nazywamy oporem środowiska.

Warunki zapobiegania zadomowienia się w środowisku lub ograniczenia liczebności populacji lub jej aktywności nazywamy barierą środowiskową.

Na przykład barierą środowiskową hamującą zasiedlanie przez mikroorganizmy jest:

• Skóra – są kwasy tłuszczowe – występujące na jej powierzchni

• Płuca i żołądek – występują śluzy

• Krew – fagocyty i przeciwciała

• Mleko – peroksydaza, aglutynina, lizozym

• Owoce – nabłonek i kwasy

• Komórki zaatakowane przez wirusy – interferon.

Wzajemne oddziaływanie jednych grup drobnoustrojów na inne grupy mają bardzo różnorodny charakter:

- od zupełniej obojętności poprzez różne formy współżycia a nawet wzajemnej niezbędności do skrajnego antagonizmu. Znajomość tych relacji jest pożyteczne, gdyż pozwala nam na stworzenie optymalnych warunków dla przebiegu samorzutnych, a wykorzystywanych przez człowieka procesów mikrobiologicznych.

Pozwala również na zabezpieczenie się przez inwazją niepożądanej mikroflory. Często współżycie różnych populacji odbywa się harmonijnie, nie szkodzą sobie ani nie mają korzyści ze swego sąsiedztwa. Taki brak współdziałania nazywamy – neutralizmem.

Innym rodzajem jest komensalizm – czyli współbiesiadownictwo. Zależność ta jest mało swoista. W mleku – drożdże nie wykorzystujące laktozy korzystają z produktów jej hydrolizy przez bakterie.

Powiązanie obopólne to protokooperacja. Ten typ jest też nieswoisty, obaj partnerzy są sobie potrzebni.

Symbioza – ścisłe współżycie różnych gatunków. Cechą szczególną jest swoistość. Np. ziarna kefirowe.

Zależność między gatunkami przy który aktywność jednego partnera jest szkodliwa to antagonizm.

Antagonizm

drapieżnictwo

współzawodnictwo

amensalizm pasożytnictwo

antybioza

Walka między organizmami o pokarm, wodę, światło, przestrzeń życiową.

Antybioza – forma walki o środowisko do życia

Substancje antybakteryjne. Antybiotyki syntetyzowane przez czyste kultury bakterii, grzybów, promieniowców, glonów.

Amensalizm - obecność i czynności życiowe jednego gatunku wpływają niekorzystnie na gatunek drugi, przy czym jest to relacja jednostronna tj. obecność tego drugiego gatunku dla pierwszego jest obojętna

Pasożytnictwo - jeden czerpie korzyści ze współżycia, a drugi ponosi szkody.

Drapieżnictwo

Metabioza - Jest to jedna z form współżycia pomiędzy drobnoustrojami. Jeden z nich produkuje metabolity, które hamują jej wzrost natomiast powodują rozwój innych bakterii. Przykładem środowiska w którym zachodzi metabioza może być mleko: w słodkim mleku żyją Streptococcus lactis, których metabolity zakwaszają środowisko co nie sprzyja dalszemu rozwojowi tej bakterii natomiast powoduje rozwój Lactobacillus, który żyje w mleku kwaśnym.