Ekologia – nauka biologiczna która zajmuje się badaniem wzajemnych zależniości pomiędzy organizmami oraz ich zespołami a ich żywym i martwym środowisku.
Ekologia mikroorganizmów zajmuje się zależnościami pomiędzy drobnoustrojami, związkami grzybów, glonów pierwotniaków pierwotniaków i wirusów z licznymi środowiskami.
Ekosystem – układ w którym organizmy żywe (biocenoza) w warunkach siedliska (biotop) mogą żyć, rozwijać się, rozmnażać i uczestniczyć w przemianie materii a przez nią korzystać z przepływającej przez system energii.
Drobnoustroje a środowisko:
- wpływ drobnoustrojów na środowisko
- wzajemna zależność pomiędzy drobnoustrojami
- -//- drobnoustrojami a roślinami
- -//- drobnoustrojami a zwierzętami
- wpływ czynników środowiska na drobnoustroje
W środowisku drobnoustroje mogą:
- być źródłem promieniowania
- wydzielać energię
- obniżać potencjał oksydoredukcyjny
- zmieniać pH środowiska
Wzajemne oddziaływania roślin i drobnoustrojów:
a)antagonistyczne: choroby roślin, wydzielanie substancji toksycznych;
b)symbiotyczne: symbioza roślin motylkowych z Rhizobium, mikoryza, ryzosfera;
Symbioza z motylkowymi: Rhizobium w brodawkach korzenia, korzystają z asymilatów rośliny, gdy dojrzeją zdobywają zdolność wiązania azotu atmosferycznego; rośliny i bakterie symbioze maja zakodowaną w DNA; dostarczają azot bezpośrednio do korzenia rośliny; bakterie potrafią zapewnić całe zapotrzebowanie rośliny na azot;
Mikoryza współżycie grzyba z korzeniami roślin.
a)endotroficzna (wewnętrzna); kłębuszki grzyba wnikają przez przestrzenie międzykomórkowe do komórek kory pierwotnej korzenia i tam się rozwijają, najczęściej są to sprzężniaki lub grzyby niedoskonałe; grzyb zapewnia roślinie wode i sole mineralne a więc roślina nie musi rozbudowywac systemu korzeniowego; w warunkach suszy grzyb łatwiej pobiera roztwór glebowy bo ma wyższe ciśnienie osmotyczne;
b)ektotroficzna (zewnętrzna); grzyb obrasta korzeń z zewnątrz, szczególnie u drzew i krzewów, grzyb zapewnia wode roślinie i chroni przed czynnikami zewnętrznymi;
ogólnie:
grzyb dla rosliny: chroni przed suszą , pomaga w pobieraniu soli mineralnych z roztworu glebowego, wytwarza substancje wzrostowe;
roślina dla grzyba: dostarcza produkty fotosyntezy ( węglowodany); wytwarza substancje biologicznie czynne;
korzyści niezależne od rodzaju mikoryzy: roślina dostarcza substancji energetycznych i budulcowych dla grzybów; grzyby ułatwiają roślinie pobieranie wody i soli mineralnych; mogą stymulowac wzajemnie swój wzrost;
Ryzosfera (gleba ryzosferowa) strefa obejmująca pow. Korzenia i glebe do niej przylegającą; R:S>1 efekt ryzosferowy; drobnoustroje otrzymuja : materie organiczna w formie wydzielin korzeniowych i złuszczających się komórek korzeni; substancje wzrostowe. Rośliny otrzymuja : związki mineralne(po zmineralizowaniu przez drobnoustroje materii organicznej), utlenione lub zredukowane związki mineralne, stymulatory i inhibitory wzrostu roślin; inhibitory( kwasy tłuszczowe, alkohol, związki fenolowe, antybiotyki) stymulatory(kwas indolilooctowy), ochrona przed patogenami; bakterie w ryzosferze to głównie pałeczki bo są bardzo aktywne metabolicznie.
Oddziaływania bezpośrednie i pośrednie między bakteriami zewnętrznymi:
a)Antagonistyczne –choroby zwierząt, -zatrucia pokarmowe, - aflatoksyny; -wiciowce zatruwające toksynami ryby w morzach; - drobnoustroje jako pokarm dla zwierząt wodnych i glebowych (pierwotniaków, jamochłonów, robaków);
b)symbiotyczne –usuwają ze środowiska substancje toksyczne; - bakterie ,owady; - bakterie celulolityczne w przewodzie pokarmowym zwierząt roślinożernych; -synteza witamin przez bakterie jelitowe;
Wpływ środowiska na drobnoustroje: czynniki fizyczne (temp. , promieniowanie UV, ciśnienie osmotyczne, napięcie powierzchniowe, wysychanie); czynniki chemiczne( stężenie jonów wodorowych (pH) , jony metali ciężkich, środki dezynfekcyjne, środki chemoterapełtyczne , antybiotyki)
Temperatura – jeden z najważniejszych czynników zalezy od niej aktywność enzymów, bakterie wytrzymują od -250 *C do 120*C, jednak zakres aktywności od -9*C do 98*C;
Niska temp. Powoduje:- termiczną inaktywacje enzymów, -zmianę przepuszczalności błon cytoplazmatycznych lub zniszczenie jej struktury, - akumulacja toksycznych metabolitów; - denaturacja lub degradacja RNA; - uszkodzenie lub zniszczenie niektórych mechanizmów kontrolujących metabolizm;
Wysoka temp. Powoduje denaturacje białek i zalezy od : - zawartości wody (im większa wilgotność tym szybciej temp. zabija ), - składu podłoża , - pH podłoża ;- wieku Komorek,- zdolności do tworzenia endospor, - czasu stosowania temp. – gwałtownych zmian temp. ( szok zimna) ;
Promieniowanie UV – fale o długości 2,3-2,7um największa sorpcja przez kwasy nukleinowe. Absorbcja przez kwasy nukleinowe i białka: - hydratacja cytozyny; - powstanie dimerów tyminy, cytozyny, lub tyminowo-cytozynowy. Uniemożliwienie replikacji DNA i śmierc komórki. Błędne podstawienie zasad w czasie replikacji DNA – mutacje.
Ciśnienie osmotyczne –( Halofile- lubią duże stężenie soli, Osmofile – lubią duże stężenie cukrów); wysokie ciśnienie osmotyczne wykorzystywane do konserwacji żywności.
Napięcie powierzchniowe – duża rola we wzroście drobnoustrojów(zwłaszcza tlenowców i beztlenowców); zwiększa się przez węgiel drzewny a zmniejsza przez detergenty.
Detergenty - wszystkie substancje czyszczące oprócz mydła, są anionowe, kationowe i niezdysocjowane; anionowe i kationowe działają bakteriobójczo; powodują zahamowanie podziału komórki, ruchliwość bakterii i tworzenie endospor.
Wysychanie – bakterie giną na skutek denaturacji białek w komórce; zniszczenie enzymów; wolne wysychanie zabija szybciej niż szybkie; ilość zabitych bakterii zależy od rodzaju bakterii, wieku, składu pożywki i temp. Suszenia; endospory (przetrwalniki) i bakterie z dużymi otoczkami śluzowymi są odporniejsze na wysychanie;
Czynniki chemiczne mogą działać bakteriobójczo (nie niszczy endospor)lub bakteriostatycznie (hamuje rozwój); -dezynfekcyjne zabijają bakterie chorobotwórcze i saprofityczne ale nie przetrwalniki; - antyseptyczne środki lecznicze stosowane zewnętrznie przeciwbakteryjne;
Stężenie jonów wodorowych (pH) dla różnych bakterii różne pH; wrażliwość zależy od składu podłoża, ciśnienia osmotycznego i temp. ; pH wpływa na – stan koloidalny plazmy, przepuszczalność błony cytoplazmatycznej, przepuszczalność ściany komórkowej;
Metale ciężkie – działają toksycznie na bakterie( oligodynamiczne działanie – doprowadzają do śmierci); najsilniej działa kadm, potem rtęć, arsen, antymon, miedź, srebro, kobalt; czysty metal nie jest toksyczny tylko tlenki;
Środki dezynfekcyjne : tlenki etylu, chloroform, lizol, fenol, podchloryn; - substancje powierzchniowo czynne, zmieniają przepuszczalność ściany i błon, wtórnie reagują z białkami;
Środki chemoterapeutyczne: sulfonamidy, kwas salicylowy- działają bakterio i grzybobójczo, blokują enzymy;
Antybiotyki : - swoiste substancje wytwarzane przez drobnoustroje o wpływie hamującym lub zabójczym dla innych mikroorganizmów, efektem działania jest bakteriostaza (zahamowanie rozwoju) lub bakterioliza ( śmierc bakterii); Mechanizm działania różny ze względu na różną budowę, najczęściej mogą: - hamowac syntezę ściany komórkowej; - wiązać się z błoną cytoplazmatyczną i wywoływac zmiany w jej odtwarzaniu się oraz funkcjach (bierna przepuszczalność); - łączyc się z kwasami nukleinowymi; - hamowac określone procesy metaboliczne, oddychanie, gromadzenie aminokwasów,; -hamowac syntezę białka;
Rola drobnoustrojów w środowisku glebowym :
Gleba składa się z : litosfery( części stałe, 50%), atmosfery(powietrze glebowe ,do 35%), hydrosfera(roztwór glebowy, 15%);
Litosfera – stanowią ją części stałe czyli substancje mineralne i organiczne; dla rozwoju drobnoustrojów duże znaczenie najdrobniejszych cząstek (0,002 mm)oraz koloidów właściwych (minerały glinokrzemianwe); koloidy mineralne: decydują o stosunkach wodno powietrznych – stanowią siedlisko drobnoustrojów(sorbują je na swojej powierzchni); - sorbują enzymy; - sorbują inne substancje biologicznie aktywne; koloidy organiczne – występują w glebie jako związki humusowe; - mają takie samo znaczenie jak koloidy mineralne; - stanowią magazyn energii i budulca dla drobnoustrojów(gdy wyczerpane zostaną łatwiej dostępne źródła pokarmu); - tworzą się z resztek organicznych;
Faza gazowa (waha się od 8-35%) – wypełnia wolne przestrzenie pomiędzy stałymi cząstkami nie zajętymi wodą; - wysyca koloidy glebowe; - najwięcej gazów sorbują związki humusowe i tlenki żelaza; najłatwiej sorbowane: NH3 potem CO2, O2, N2, H2S, CH4; - skład powietrza glebowego inny niż atmosferycznego (mniej tlenu, więcej CO2); -zużycie tlenu wiąże się z wydzielaniem CO2;
Faza ciekła wpływa na: -ciśnienie osmotyczne; - właściwości buforowe; - warunki tlenowe i beztlenowe; - wymianę gazową; - potencjał Oksydo-redukcyjny; Przenośnik składników pokarmowych; w przeciętnych glebach uprawnych około 0,5g rozpuszczonych związków na litr wody; rozpuszczone mogą być sole azotowe, fosforowe, cukry, aminokwasy; Skład chemiczny zmienny;
Rozpuszczony też CO2 a więc lepszy rozpuszczalnik niż czysta woda;
Ciśnienie w przeciętnych glebach 0,5-5atmosfer, zasadowych nawet 100atmosfer;
Skład chemiczny i struktura fizyczna gleby zależy od : - charakteru skały macierzystej; - aktualnych warunków klimatycznych ; - właściwości organizmów które zapoczątkowały biologiczną kolonizację wietrzejącej skały; - zespołów drobnoustrojów uczestniczących w dalszych przeobrażeniach powstającej i istniejącej już gleby; - składu okrywy roślinnej;
Ilość drobnoustrojów w 1g.s.m. gleby zależy od: - struktury gleby; – wilgotności; -zawartosci substancji organicznej;
W warstwie ornej (1g.s.m.) :a) od kilkudziesięciu milionów do kilku miliardów bakterii; b) od kilkudziesięciu tysięcy do kilkudziesięciu milionów promieniowców; c) od kilku tysięcy do kilku milionów grzybów; d) od stu tysięcy do trzech milionów glonów i sinic;
Autochtony glebowe – związane z danym typem gleby i zawartością próchnicy; Fototrofy i chemoroganotrofy;
Zymogeny glebowe – okresowo pojawiające się w glebie wraz z dopływem świeżej materii organicznej ; źródła: - odchody ludzi i zwierząt( zdrowych i chorych); - ścieki bytowo gospodarcze z gospodarstw rolnych; - opady atmosferyczne; - gryzonie i owady; - nawozy naturalne( gnojówka, obornik, kompost); Zymogeny występują w nawozach: - tlenowa i beztlenowa mikroflora przetrwalnikująca; - bakterie mocznikowe; - zarodniki grzybów; - promieniowce; - mikrofauna ; - wirusy; - termofile;