Drobnoustroje - nie jest to pojęcie systematyczne, jest to pewna grupa organizmów należących do różnych jednostek systematycznych. Zaliczamy tu wirusy, bakterie i grzyby. Średnica większości bakterii nie przekracza 1 m = 10 ^-3 mm. Wymiary innych drobnoustrojów mogą się trochę zmieniać, ale ich wymiary wyrażamy w mikrometrach. Wymiary odnoszące się do organelli komórkowych wyrażamy w nanometrach. Większość drobnoustrojów to organizmy mikroskopijnej wielkości.

Obecnie wyróżniamy trzy królestwa: roślin, zwierząt i mikroorganizmów. Zaliczamy do nich zarówno organizmy jądrowe oraz bezjądrowe.

Cechy charakterystyczne drobnoustrojów:

Duża powierzchnia populacji, fakt ten sprawia, że mają one wielką powierzchnię styku ze środowiskiem, przez co mogą je one intensywnie zmieniać. Olbrzymia różnorodność metaboliczna, plastyczny i intensywny metabolizm. Mogą wytwarzać wszystkie grupy enzymów, przez co mogą przeprowadzić wszystkie reakcje enzymatyczne, mogą rozkładać wszelkie materiały znajdujące się na kuli ziemskiej. Mogą oddychać tlenowo lub beztlenowo, spotykane są wszystkie typy odżywiania. Uczestniczą w krążeniu wszystkich pierwiastków w przyrodzie np.węgla (mogą utleniać lub redukować związki węgla), azotu, fosforu, siarki. Olbrzymia zdolność do adaptacji metabolizmu w określonych warunkach środowiskowych.-Są organizmami kosmopolitycznymi, są organizmami występującymi wszędzie, te same grupy drobnoustrojów można spotkać na różnych szerokościach geograficznych. Mają olbrzymie znaczenie dla człowieka, występują drobnoustroje dla człowieka korzystne lub też szkodliwe. Powodują detoksykacje środowiska naturalnego (bioremediacja). Wykorzystuje się je do produkcji mikroszczepionek np. w rolnictwie.

Mikroorganizmy chorobotwórcze produkują toksyny i inne związki szkodliwe dla środowiska jak i innych organizmów żywych. Redukują azotany do azotynów (reaktywnych związków chemicznych). Drobnoustroje są objęte wieloma badaniami naukowymi, gdzie służą jako modele badawcze. Oprócz tego, że są organizmami kosmopolitycznymi występują także w ogromnych ilościach, np. w garści ziemi może występować tyle mikrobów co ludzi na Ziemi, na ha powierzchni znajduje się kilkanaście ton bakterii. 1% objętości przeciętnej gleby stanowią drobnoustrojów.

Wirusy:

1.Wirusy są najmniejszymi mikroorganizmami.

-długość cząsteczek może wynosić od około 20 do kilkuset nanometrów, w zależności od rodzaju wirusa

-obserwować wirusy możemy jedynie pod mikroskopem elektronowym

2.Cząsteczki wirusowe nie wykazują cech żywych organizmów (wirusy nie rosną; po bezpośrednim podziale powstają jako dorosłe osobniki; wirus nie ma w genomie informacji o systemie umożliwiającym przetwarzanie energii - brak układu Lipmana)

3.Wirusy są wewnątrzkomórkowymi pasożytami, tzw. Hypotrofami. Nie ulegać reprodukcji poza swoim żywicielem.

Najważniejsze informacje z historii badań nad wirusami:

Odkrywcami wirusów, jako czynnika chorobotwórczego byli Iwanowski (1892) i Beijerinck (1898). Stwierdzili oni, że mozaikę tytoniową (TMV) wywołuje zarazek tak mały, ze przechodzi przez filtry zatrzymujące bakterie. Sok z liści tytoniu zarażonego mozaiką, pomimo przesączenie przez filtr, nadal zawierał czynniki powodujące infekcję.

Struktura i klasyfikacja wirusów:

-nie posiadają błon komórkowych

-zawierają tylko jeden typ informacji genetycznej: RNA lub DNA

-kwasy nukleinowe, czy to DNA czy RNA, mogą występować w formie jedno- lub dwuniciowej, a także mogą posiadać różne orientacje nukleotydów: (+) - RNA o pozytywnym sensie, orientacje nukleotydów jest taka sama jak na matrycy RNA; (-) - RNA o negatywnym sensie, orientacja odwrotna od matrycowego RNA.

-te wirusy, które zawierają RNA (retrowirusy, takie jak wirus HIV) posiadają enzym - odwrotną transkryptazę - do tanskrybowania DNA z RNA.

-podstawowy schemat przepływu informacji genetycznej: DNA -> RNA -> białko

-schemat w przypadku retrowirusów (HIV): RNA -> DNA -> RNA -> białko (okazuje się, że nie tylko DNA może być przenośnikiem informacji genetycznej)

-wirusy składają się z dwóch podstawowych komponentów:

=białkowego płaszcza (kapsydu złożonego z białkowych podjednostek - kapsomerów)

=rdzenia zbudowanego z kwasu nukleinowego (wirionu). Wirusy roślinne zawierają tylko RNA, zwierzęce RNA lub DNA, a bakteryjne (bakteriofagi) prawie zawsze DNA

-niektóre wirusy posiadają lipidową otoczkę

-wirus HIV:

=lipidowa otoczka

=odwrotna transkryptaza (integraza)

=wirusowa RNA

-wirusy charakteryzują się bogactwem kształtów: helikalne (spiralne) i kubiczne (dwudziestościenne)

-bakteriofagi pasożytujące na rozmaitych gatunkach bakterii nie są liczne, ale mogą zwiększyć swoją liczbę poprzez intensyfikację rozwoju bakterii

-grzyby są atakowane przez wirusy zwane mykofagami

-informacja genetyczna wirusów zawiera od 10 do 200 genów

Cykle życiowe wirusów:

Wirusy mają 2 rodzaje cykli życiowych: lityczny i lizogeniczny.

Cykl lityczny:

Infekcja -> synteza wirusowego DNA lub RNA -> synteza wirusowych białek, potrzebnych do budowy płaszcza i lizozymów -> wypełnienie kapsydów -> uformowanie główki i ogonka -> uwolnienie faga

Cykl lizogeniczny:

Infekcja -> wbudowanie DNA -> zsynchronizowany z komórkami gospodarza podział (wirus jest zwykle nazywany wtedy profagiem) -> odporność na dalsze infekcje przez podobne fagi (synteza cytoplazmatycznego represora białkowego) -> początki cyklu litycznego wywołane przez szok środowiskowy -> wycięcie DNA -> inicjacja cyklu litycznego

Typy wirusów:

1.Można wyróżnić wirusy roślinne, zwierzęce, bakteryjne, grzybów, glonów i pierwotniaków. Trudno znaleźć szczep bakterii, nie miałby zagrażających mu bakteriofagów. Specyficznym przykładem są dane na temat Kluzobium melilotti.

2.Bezpośrednia izolacja

3.Specyficzne powiązania są determinowane przez receptory na komórkach, takie jak polisacharydy, białko, rzęski i lipoproteiny.

Przeżywalność i rozprzestrzenianie się wirusów:

1.Niewiele wiadomo o wirusach infekcyjnych jako organizmy glebowe, poza tym, że przebywają w glebie w formie uśpionej, zachowując zdolności pasożytnicze

-Ogranicza to biokontroli bakterii przy pomocy wirusów

-Wiele z wirusów glebowych przenoszonych jest przez nicienie czy grzyby

-Wirusy roślinne rzadko zimują w glebie

-Niektóre wirusy insektów pozostają aktywne przez lata

2.Wirusy stają się zagrożeniem środowiskowym, kiedy ich ludzka bądź zwierzęca odmiana przeżyje w glebie na tyle długo, aby dostać się do wody pitnej.

-Z reguły wirusy łatwo przemieszczają się przez profil glebowy

-Są odsorbowane przez substancje organiczne gleby, próchnice i minerały ilaste - generalnie przez te cząsteczki, które maja dużą powierzchnię sorpcyjną

-Zaadsorbowane wirusy mogą ulegać desorpcji

3.przeżywalnych wirusów wzrasta w wilgotnych warunkach.

Ekologiczna rola wirusów:

Kontrola populacji drobnoustrojów.

Zauważono zdolność bakteriofagów do regulowania populacji drobnoustrojów. Wirusy były izolowane a następnie stosowane do kontrolowania populacji insektów, poprzez wywołanie na danym terenie epizootycznej epidemii.

Grzyby glebowe:

Nazwa nauki o grzybach - mikologia wywodzi się ze słów Myces - Mycology, Fungus - Fungus (grzyb). Popularne określenia grzybów: grzyby pleśniowe, mączniaki, rdze, drożdże, grzyby jadalne, trufle. Nie są to jednostki systematyczne w mikologii, są to określenia potoczne. Grzyby mają znaczenie ogólno przyrodnicze; odpowiedzialne są za obieg węgla i innych pierwiastków.

Znaczenie gospodarcze:

Organizmy chorobotwórcze (95% chorób roślin to mikory); choroby powodowane przez grzyby są trudne do wyleczenia. Są producentami np. antybiotyków (Penicylina); reakcje chemiczne w biotechnologii. Są organizmami eukariotycznymi. Posiadają błonę jądrową, reticulum cytoplazmatyczne, wiele chromosomów, ścianę komórkową (chitynowa, czasami celulozowa). Jako materiał zapasowy gromadzą glikogen. Rybosomy 70s i 80s.Grzyby mogą być jedno- lub wielokomórkowe. Długość komórki grzyba jest nieograniczona. Złożone, wytwarzają różne ciała pn. owocniki. Rozmnażanie wegetatywne i generatywne. Bardzo mała różnorodność metaboliczna.

Morfologia grzybów:

3 podstawowe formy tworzące plechę:

1.komórki chytrydiowe - proste, kształt owalny, często posiadają ryzoidy; charakterystyczne dla klasy CHYTRIODOMYCOTA (chytrydiomycetes).

2.Komórki typu drożdże - organizmy jednokomórkowe, owalne, czasami produkują pseudogrzybnię; różne kształty (najczęściej okrągłe i owalne), charakterystyczne dla dwóch klas: workowców i podstawczaków. Prosta reprodukcja - mogą się dzielić, rozmnażać przez pączkowanie lub płciowo.

3.Komórki grzybni (mycelium) - grzybnia zbudowana ze strzępek (grubość kilku mikrometrów); strzępki mogą być wielokomórkowe lub jednokomórkowe (komórczakowate - strzępki bez przegród poprzecznych). Plechy mogą tworzyć formy zorganizowane (np. owocniki); mogą być wegetatywne lub generatywne.

Grupy taksonomiczne:

=systematyka żywa (często ulega zmianom)

I Klasa: MIXOMYCETES - śluzowce: bardzo często zaliczane do pierwotniaków, bardzo aktywne biochemicznie (enzymy)

II Klasa: OOMYCETES - lęgniowce: Duża grupa, Chorobotwórcze dla roślin, Też czasami zaliczane do pierwotniaków, Organizmy wodne (najczęściej chociaż czasem tez glebowe), Wytwarzają oospory - zarodniki płciowe, Zarodniki sporangialne - do rozmnażania wegetatywnego

III Klasa: CHYTRYDIOMYCETES - skoczkowce: Głównie występują w środowisku wodnym, Rozmnażają się przez zoospory

IV Klasa: ZYGOMYCETES - sprzężniaki: Mają znaczenie gospodarcze, Mogą uczestniczyć w mikoryzie (przemysł biotechnologiczny jest nastawiony na szczepionki mikoryzowe)

V Klasa: ASCOMYCETES - workowce: Np. drożdże, trufle, Większość to grzyby saprofityczne, Rozmnażanie płciowe i bezpłciowe

-Owocniki mogą mieć różne kształty: okrągłe (kleistotecjum), butelkowate (peritecjum), miseczkowate (apotecjum)

VI Klasa: BASIDIOMYCETES - podstawczaki: Grzyby jadalne, znaczenie gospodarcze, Niektóre powodują zgniliznę białą drzew i roślin (np. boczniak), Grzyby brunatnej zgnilizny - na pniach, na szczątkach drzew, Wytwarzają owocniki; tworzą askospory; na podstawkach, Rdze, mączniaki, Rozmnażanie bezpłciowe i płciowe

VII Klasa: FUNGI IMPERFECTI - grzyby niedoskonałe: Sztucznie stworzona grupa, Nie rozmnażają się płciowo,

Aspekty ekologiczne: występują w powietrzu, osiadają na cząsteczkach kurzu, grzybice są bardzo trudne do wyleczenia, na powierzchni 1 ha może być nawet tona grzybów

• Morfologia bakterii

Wyróżniamy formy kuliste i cylindryczne.

Formy kuliste to: diplococcus (dwoinka), streptococcus (paciorkowiec), tetracoccus (czworniak), sarcina (pakietowiec), staphylococcus (gronkowiec)

Formy cylindryczne dzielimy na dwie grupy:

1.formy cylindryczne proste (laseczki i pałeczki) - mogą tworzyć układy

2.formy cylindryczne skręcone - tylko i wyłącznie jako pojedyncze komórki: vibrio - przecinkowiec (np. cholery), spirillum - śrubowiec, spirochaeta - krętek (kiły, leptospirozy, gorączki powrotnej)

Cytologia bakterii:

Rzęski: organelle ruchu, struktury elastyczne, kilka lub kilkanaście razy przekraczają długość komórki bakterii, wytwarzanie rzęsek jest cechą systematyczną, w starszym wieku bakterie mogą tracić rzęski, grubość 10-50 nm, zbudowane są z białka - flageliny (budowa zbliżona do miozyny), typy komórek bakterii ze względu na typ urzęsienia: monotricha - jednorzęse, amfitricha - dwurzęse, cefalotricha - czuborzęse, lofotricha - czuborzęse, peritricha - okołorzęse.

Fimbrie (pile, włoski)

1.nitkowate wyrostki cytoplazmatyczne

2.są grubsze (0,5-2 m) i krótsze od rzęsek

3.wyróżniamy dwa rodzaje pili:

-pile pospolite - ich biosynteza kodowana jest przez nukleoid; odpowiedzialne są za swoiste przyleganie (adhezje) komórki do środowiska; cechuje je zdolność do zlepiania czerwonych krwinek (hemoaglutenacja)

-pile płciowe - kodowane są przez plazmidy; odpowiadają za proces koniugacji bakterii; występują u wszystkich bakterii

Otoczka: struktura najczęściej śluzowata, zdolność do wytwarzania otoczki jest cechą genetyczną (systematyczną), bakterie mogą przechodzić w formy bezotoczkowe, skład otoczki jest złożony: wielocukry, aminokwasy, aminocukry, i wiele innych, dextran - substancja pozyskiwana jako składnik otoczki, struktura chroniąca bakterie przed szkodliwym wpływem środowiska, u bakterii chorobotwórczych otoczka chroni je przed fagocytozą

Ściana komórkowa: struktura sztywna, mocna, nadająca kształt, decyduje o wyniku barwienia metodą Grama, -Gram+ tworzą trwałe kompleksy jodu (płyn Lugola) z fioletem goryczkowym (krystalicznym) -> barwią się na niebiesko/fioletowo, Gram- odbarwiają się w denaturacie i przyjmują barwę fuksyny -> barwią się na czerwono, może być zbudowana z różnych substancji; istnieją bakterie których ściana zbudowana jest z celulozy, przeważnie jednak zbudowana jest głównie z mureiny (wielocukier podobny do chityny), bakterie Gram+ są bardzo odporne na czynniki środowiskowe, sferoplast - komórka pozbawiona ściany komórkowej

-metody usuwania ściany komórkowej:

=Metoda Fleminga - do rozpuszczenia ściany komórkowej używa się lizozymu - enzymu izolowanego z bakterii tj. Escherichia coli czy Streptomyces, enzym ten występuje także w łzach, śluzie jamy nosowej, białku jaja

=Hodowla bakterii na pożywkach z dodatkiem subletalnych dawek penicyliny, która hamuje biosyntezę ściany komórkowej.

Błona cytoplazmatyczna: struktura bardzo elastyczna, otacza komórkę, może być widoczna jedynie pod mikroskopem elektronowym, składa się z białek (50-75%) i lipidów, ma charakter wybiórczy - odpowiada za transport substancji z komórki i do komórki

Cytoplazma: w niej zawieszone są struktury komórkowe, składa się głównie z wody, w niej rozpuszczone są różne związki chemiczne (białka itp.), w niej znajduje się DNA bakterii - nukleoid lub plazmid

Nukleoid. (genofor): funkcje jądra komórkowego, nazywany często chromosomem bakteryjnym, zazwyczaj znajduje się 1 chromosom, ale są przypadki że więcej, zbudowany z kolistej, dwuniciowej nici DNA, w Escherichia coli ten dwuniciowy DNA składa się z 500 tyś par zasad i ma długość 1,5 mm, koduje właściwości bakterii, dodatkowe struktury poza nukleoidowe będące również kolistymi cząsteczkami DNA to plazmidy

Ziarnistości (rybosomy): struktury uniwersalne, odpowiedzialne za biosyntezę białka w komórce, u bakterii wiele tysięcy, oglądane pod mikroskopem elektronowym, wielkość od 10 do 30 - 40 nm, skład: RNA + białko, różne typy

Mezosomy: funkcja mitochondriów, wpuklenia błon komórkowych znajdujące się wewnątrz komórki, centra energetyczne, zawierają enzymy oksydacyjno - redukcyjne

Ciałka chromaoforowe: u bakterii fotosyntetyzujacych - struktura związana z fotosyntezą, różny kształt, budowa lamelarna (warstwowa), zawierają barwniki asymilacyjne a także białka i lipidy

Tylakoidy: struktury związane z fotosyntezą występujące u cyjanobakterii

Wakuole: u bakterii wodnych, wypełnione gazami, struktury umożliwiające zmianę położenia bakterii w fazie wodnej

Materiały zapasowe - wielocukry (polisacharydy), tłuszcze, polifosforany i siarka.

Polisacharydy zapasowe: Polimery glukozy, rozgałęzione, Wiązanie 1,4-α-glikozydowe i 1,4-α-glikozydowe - proste, Do polisacharydów zaliczamy skrobię i jej pochodne; skrobia barwi się płynem Lugola na niebiesko, Glikogen - jest to skrobia zwierzęca; płynem Lugola barwi się na brunatno; jest wytwarzany przez wąską grupę bakterii - Enterobakteriaceae (bakterie jelitowe), bakterie salmonelli, Escherichia coli. Grzyby, drożdże też syntetyzują.

Związki tłuszczowe: mogą być gromadzone w postaci kropli lub ziaren tłuszczowych, krople te mogą być widoczne pod mikroskopem świetlnym, można wybarwić tłuszcz bakteryjny sudanem, tłuszcza zapasowe wytwarzają też dożdże

Kwas polibetahydroksymasłowy: materiał zapasowy, Azospirillum, Wykorzystywany do produkcji sztucznych polimerów do produkcji osłonek do kiełbas, osłonki te są strawialne przez człowieka, Produkowane z niego są nici chirurgiczne (wchłaniane przez organizm człowieka)

Polifosforany: Spirillum volutans, Ziarna wolutyny - zmiana zabarwienia pod wpływem błękitu metylowego, Ziarna wolutyny są metachromatyczne - oznacza to zdolność do zmieniania barwy, Ziarna te składają się z długich łańcuchów polifosforanowych

Siarka: bardzo często odkładana w różnej postaci przez komórkę bakteryjną, np. w postaci siarki koloidalnej lub krystalicznej, łatwo można ja wykryć pod mikroskopem świetlnym, gdyż załamuje promienie świetlne, odkładają ją różne grupy bakterii: bakterie tlenowe, beztlenowe, heterotroficzne, samożywne, Begiato - utleniają siarkowodór do siarki pierwiastkowej; są to bakterie tlenowe, Beztlenowe - bakterie fotosyntetyzujace - siarka jest donorem wodoru

Inne struktury w komórce: kryształki

-Bacillus Thuringensis - bakteria przetrwalnikowa; odkłada specyficzne bialko w postaci romboidalnych kryształów; białko to jest silnie owadobójcze i wykorzystywane jest do produkcji biologicznych preparatów do zwalczania owadów

PRZETRWALNIKI BAKTERYJNE - ENDOSPORY

Drobnoustroje wytwarzają różne formy przetrwalne. Najbardziej znane to przetrwalniki wewnętrzne wytwarzane przez bakterie Clostridium i Bacillus. Przetrwalnikowanie to proces rozwojowy, fizjologiczny i oznacza zdolność uwarunkowana genetycznie; jest to cecha systematyczna. Clostridium wytwarzają przetrwalniki dorastające w warunkach beztlenowych a Bacillus - w warunkach tlenowych.

Przetrwalnik jest to twór zbudowany z różnych warstw: ze ściany i z zagęszczonej cytoplazmy.

Przetrwalnik -> kiełkowanie -> formy wegetatywne -> dojrzały przetrwalnik bez formy wegetatywnej

Typy przetrwalników:

Mogą być wykształcone w różnych częściach komórki:

-przetrwalnikowanie centralne (Bacillus Megathelium)

-przetrwalnikowanie terminalne (Bacillus Thuringensis) - na biegunach komórki

-przetrwalnikowanie terminalne ze zmianą morfologii (Buławka - nazwa typu przetrwalnikowanie)

-przetrwalnikowanie wewnętrzne - komórka wrzecionowata z prztrwalnikiem w części centralnej

-przetrwalnikowanie lateralne

Inne przetrwalniki oprócz wewnętrznych:

Konidia - przetrwalniki wytwarzane przez grzyby i promieniowce

Formy przetrwalne - cysty i mikrocysty - Azotobacter i bakterie rozkładające celulozę, bakterie śluzowe

Taksje - ukierunkowane ruchy bakterii

Taksje: Chemotaksje, Aerotaksje, Fototaksje, Magnetotaksje.

Chemotaksje - ruch bakterii uporządkowany przez związki - atraktanty; bakterie mogą przemieszczać się w kierunku różnych związków chemicznych (np. pokarmowych, aminokwasów itd.). Repelanty - związki chemiczne od których bakterie uciekają (toksyny).

Aerotaksje - postacie oddechowe Beijericka - na preparatach w kroplach płaskich. Komórki bakterii tlenowych gromadzą się w miejscach odpowiednio natlenionych (na obrzeżach szkiełka). Bakterie mikroaerofilne rosną optymalnie prze obniżonym ciśnieniu - Azospirillum (na środku szkiełka). Bakterie beztlenowe - skupiają się po środku szkiełka (tam, gdzie jest najmniej tlenu)

Fototaksje - uporządkowany ruch bakterii wywołany przez promienie świetlne

Bakterie fototrofilne - przeprowadzają fotosyntezę (niezbędne światło); bakterie bardzo czuł na światło ; biegną w kierunku światła

Fobotaksje - zjawisko „przestraszenia się” bakterii; światło odstrasza komórki bakterii

Magnetotaksje - niedawno odkryte (ok. 20 lat temu); jest to uporządkowany ruch bakterii wzdłuż linii sił pola magnetycznego; bakterie namagnesowane - zawierają feromagnetyczny tlenek żelaza - magnetyt w okolicy rzęsek (magnetozom); bakterie te poruszają się na północ i na południe

Wpływ czynników środowiska na drobnoustroje:

Bakterie mają olbrzymią powierzchnię styku ze środowiskiem. Bakterie wpływają na środowisko i zmieniają je a środowisko wpływa na bakterie.

Czynniki środowiska: fizyczne, chemiczne, geologiczne.

Fizyczne:

=Woda: Bez wody nie ma życia; stanowi czynnik czemiczny i fizyczny, Optymalny wzrost bakterii - przy 60% pojemności wody, Bakterie mogą być wrażliwe lub odporne na zmiany ilości wody, Bacillus - odporne na wysychanie (przetrwalnikowe), Gram + są bardziej odporne na wysychanie niż Gram - , ponieważ mają grubszą ścianę komórkową, Aktywność wodna gleby - wyrażana przez stosunek prężności pary wodnej nad roztworem do prężności pary nad wodą destylowaną mierzona od zera do jedności, Różne drobnoustroje różnie reagują na zmiany zawartości wody, NaCl, cukry proste (glukoza, sacharoza), glikoza - wpływają na aktywność wodną (na zmniejszenie lub podnoszenie), Drobnoustroje odporne na wysychanie środowiska - kserofile.

Liofilizacja - proces polegający na utracie (na pozbywaniu się) wody; do utrwalenia bakterii, przechowywania.

=Temperatura (czynnik fizyczny) - życie od 0stC do 100stC (powyżej 100stC denaturacja)

=Punkty kardynalne - stosunek drobnoustrojów do temperatury: temperatura minimalna, maksymalna, optymalna

Temperatura minimalna: temperatura poniżej której drobnoustroje nie funkcjonują; różne dla różnych grup dropnoustrojów; ok. +5C

Psychrofile: bakterie rosnących w niskich temperaturach, drobnoustroje zimnolubne, kriofilne, temperatura minimalna waha się w okolicy 5stC, temperatura optymalna w granicach 10-15stC, temperatura maksymalna w granicach 20stC, posiadają w cytoplazmie białka funkcjonujące w niskich temperaturach

Mezofile: funkcjonują w granicach temperatur 20-40,45stC, drobnoustroje chorobotwórcze, temperatura optymalna ok.37stC, nie stanowią jednolitej grupy drobnoustrojów (grzyby, promieniowce, bakterie)

Termofile: temperatura optymalna w granicy 50-55stC, rosną w granicy temperatur 30-70,80stC, budowa przystosowana do wysokich temperatur, supertermofile - mogą funkcjonować w temp. powyżej 100stC (archea)

Clostridium Termocellum - rozkłada celulozę - procesy biotechnologiczne

Temperatura wykorzystana jest w procesie sterylizacji.

=Ciśnienie osmotyczne: sól fizjologiczna - roztwór soli NaCl 0,81%, u większości bakterii stężenie soli na zewnątrz jest mniejsze niż wewnątrz komórki, drobnoustroje halofilne - rosną przy dużej zawartości soli w podłożu, drobnoustroje osmofilne - rosną przy dużej zawartości cukrów w środowisku

• =Ciśnienie mechaniczne: bakterie odporne na ciśnienie mechaniczne (bakterie przetrwalnikowe), niektóre bakterie mogą wytrzymać ciśnienie 5000 atmosfer, bardzo odporne na ciśnienie mechaniczne są endospory (przetrwalniki wewnętrzne), wysokie ciśnienie mechaniczne wykorzystywane jest w mikrobiologii i biochemii do pozyskiwania treści bakterii

=Ciśnienie hydrostatyczne:

1.wysokie ciśnienie hydrostatyczne występuje w głębinach mórz i oceanów (11km)

2.drobnoustroje odporne to drobnoustroje barofilne

-prawdziwe - niezdolne do wzrostu przy niskich ciśnieniach hydrostatycznych; żyją w głębinach

-rzekome, barotolerancyjne - mogą rosnąć w optymalnym ciśnieniu i w wysokim

=Wpływ promieniowania elektromagnetycznego na drobnoustroje:

-gamma, UV, X, kosmiczne, IR, mikrofale, fale radiowe

Promieniowanie elektromagnetyczne wpływa istotnie na komórkę. Drobnoustroje pochłaniają promieniowanie. Energia promieniowania powoduje wzbudzenie w komórce związków chemicznych (białek i kwasów nukleinowych). Energia promieniowania przemieszcza elektrony na wyższy poziom energetyczny. Energia promieniowania jest przekształcana w energię kinetyczną.

1.działanie światła widzialnego

-działa bardzo słabo na drobnoustroje fotosyntetyzujące

-komórka może być uczulona na światło

-błękit metylowy i barwniki karotenoidowe - powodują zjawisko fotosyntetyzacji (ogólnie związki oksydacyjno-redukcyjne)

2.działanie UV i promieniowania jonizującego

-działają intensywnie

-UV może zabijać bakterie (lampy kwarcowe, rtęciowe)

-Powodują mutacje (wykorzystywane w genetyce)

• Fale dźwiękowe: fale powyżej 20 Hz bardzo silnie działają na drobnoustroje; szczególnie wrażliwe są drobnoustroje młodych kolonii.

Ultradźwięki:

Zjawisko kawitacji - rozrywanie komórek od wewnątrz wskutek wytworzenia się w niej pęcherzyków gazu

Służą do pozyskiwania treści komórkowej

Sanikatory - aparaty służące do rozrywania komórek ultradźwiękami

Napięcie powierzchniowe - siła utrzymująca określoną objętość cieczy na określonej powierzchni. Zmiana napięcia powierzchniowego wpływa na drobnoustroje. Możemy je regulować dodając do pożywki odpowiednie związki chemiczne. Do związków obniżających napięcie powierzchniowe zaliczamy:

-alkohol etylowy, glicerol, żółć, związki powierzchniowo czynne (detergenty, mydła).

Do związków zwiększających napięcie powierzchniowe zaliczamy: chlorek wapnia, węgiel drzewny.

Potencjał oksydacyjno - redukcyjny Eh [V]

-jest to zdolność układu do oddawania lub przyjmowania elektronów

-przy dużym stężeniu tlenu Eh jest duży; przy obniżonym dostępie tlenu - spada

-zależy od pH

-potencjał podłoża o pH = 7 waha się w granicach od +0,2 do +0,4

-podczas wzrostu drobnoustrojów Eh spada, ponieważ drobnoustroje pobierają tlen

-z punktu widzenia Eh wyróżniamy 3 grupy mikroorganizmów:

=drobnoustroje tlenowe (Eh: 0,2 - 0,4)

=beztlenowe względne - mikroaerofile (Eh: obniża wartość)

=beztlenowce bezwzględne - anaeroby

pH: jeden z podstawowych czynników wpływających ba rozwój drobnoustrojów, wszystkie drobnoustroje preferują pH obojętne (pH = 6,5 - 7,5), przy czym grzyby są tolerancyjne dla niskich pH i ogólnie bardziej tolerancyjne od bakterii,

Podział drobnoustrojów:

=Neutrofilne - preferują pH obojętne

=Alkalofilne - preferują pH zasadowe (należą tutaj bakterie nitryfikacyjne które preferują środowiska silnie alkaliczne)

=Acidofilne - preferują pH kwaśne (Tiobacillus - bakteria siarkowa; lubi środowisko silnie kwaśne, pH ok. 2)

Barwniki: Bardzo istotny wpływ na mikroorganizmy mają niektóre barwniki, np. barwniki oksydacyjno - redukcyjne. Do takich zaliczamy: zieleń brylantową, zieleń malachitową, fiolet krystaliczny (gencjana). Inne barwniki to barwniki akrynylowe - powodują mutację, jest to np. akryflawina.

Kationy i aniony:

-kationy i aniony stanowią źródło pokarmu

-w pewnych stężeniach pewne kationy i aniony wpływają hamująco na wzrost

-metale o niskich masach atomowych (Na, K) są mniej toksyczne od metali ciężkich (Hg, Cd, Pb)

-metale dwuwartościowe są mniej toksyczne niż jednowartościowe (??)

-metale ciężkie - bardzo toksyczne, oligodynamiczne - działają w bardzo wysokich rozcieńczeniach a więc w bardzo niskich stężeniach; w stężeniach podprogowych działają stymulująco

-metale ciężkie wykorzystywane były kiedyś w chemioterapii

Ojcem chemioterapii był Paweł Erlich, zajmował się wpływem różnych barwników na mikroflorę człowieka. Stosował te barwniki w praktyce, stwierdził że na drobnoustroje chorobotwórcze najsilniej działają związki arsenoorganicze (atoksyt).

Kolejnymi odkrytymi substancjami wykorzystywanymi leczniczo były sulfonamidy (Gerard Domagh) - działają ekstremalnie silnie na drobnoustroje.

Antybiotyk - związek biogenny, wytwarzany przez różne organizmy żywe charakteryzujący się następującymi działaniami:

-drobnoustrojobójczym lub drobnoustrojostatycznym

-wybiórczym

-oligodynamicznym

Antybiotyki wytwarzane są przez same drobnoustroje:

STREPTOMYCUS GRISEUS - Streptomecyna (przeciw gruźlicy), S. NOURSEI - Nystatyna (przeciw grzybom), PENICILLUM NOTATUM - Penicylina, PENICILLUM CHRYSOGENUM, BACILLUS SUBTILIS - Subtilina, STRPTOCOCCUS LACTIS - Nizyna, Porosty - kwas usynowy, Rośliny zielne - fitoncydy

Mogą być też wytwarzane przez zwierzęta: LIZOZYM (przez człowieka)

Dezynfekcja - sterylizacja powietrzna, chemiczna; polega na zabijaniu drobnoustrojów przy pomocy związków chemicznych.

Semityzacja - mycie np. stołów, łóżek przy pomocy związków chemicznych (w szpitalach, laboratoriach); prowadzi do obniżenia liczebności drobnoustrojów

Aseptyka - czynności umożliwiające jałowe przygotowanie leków lub produktów medycznych; warunki w których nie ma żywych drobnoustrojów

Antyseptyka - postępowanie prowadzące do usuwania drobnoustrojów ze skóry, błon śluzowych i uszkodzonych tkanek; stosuje się bardzo łagodne związki chemiczne, które nie są toksyczne dla tkanek skóry człowieka.

Efektywność działania środków dezynfekcyjnych zależy od: związku chemicznego (struktury chemicznej tego związku), stopnia rozpuszczalności w wodzie, napięcia powierzchniowego środowiska, stopnia zanieczyszczenia drobnoustrojami tego środowiska

Standaryzowane metody testowe muszą być jednolite tak, aby w różnych pracowniach metody te były porównywalne. W Polsce do oceny efektywności środków dezynfekcyjnych stosuje się metody opracowane przez PZH (Państwowy Zakład Higieny) zalecane jako normy przez Ministerstwo Zdrowia.

Często w praktyce mikrobiologicznej określa się siłę działania środków dezynfekcyjnych. W tym celu określa się 2 wartości:

-najmniejsze tężenie bakteriobójcze (MBC)

-najmniejsze stężenie bakteriostatyczne (MIC)

Środki dezynfekcyjne muszą spełniać określone wymagania:

-środek dezynfekcyjny powinien działać w stosunkowo niskim stężeniu, w krótkim czasie i w temperaturze otoczenia

-środek dezynfekcyjny powinien być skuteczny - skuteczność zależy od wielu czynników

-środki dezynfekcyjne nie powinny wpływać ujemnie na żywność (nie powinny pogarszać jej jakości i trwałości)

-w użytkowych stężeniach nie powinny niszczyć dezynfekowanych maszyn i urządzeń

-substancje chemiczne wykorzystywane do dezynfekcji nie mogą stanowić zagrożenia dla człowieka czy zwierząt w trakcie i po dezynfekcji

-środki dezynfekcyjne powinny być łatwo spłukiwane wodą

-środki dezynfekcyjne powinny charakteryzować się brakiem nieprzyjemnego zapachu

-najlepsze środki dezynfekcyjne to takie, które charakteryzują się szerokim spektrum na drobnoustroje

-środki dezynfekcyjne powinny być stosunkowo tanie

W praktyce stosuje się bardzo różne środki dezynfekcyjne:

1.Kwasy i zasady - działanie ich na drobnoustroje wiąże się z aktywnością jonów wodorowych lub wodorotlenowych. Kwasy wywierają najsilniejszy wpływ na drobnoustroje niż zasady. Kwasy i zasady działają nie tylko na formy wegetatywne, ale też na przetrwalniki.

10% roztwory zasad (sodowej i potasowej) stosowane są do dezynfekcji magazynów żywności lub pomieszczeń gospodarskich

20% zawiesina CaCO2 (mleko wapienne) jest stosowane do dezynfekcji pomieszczeń, ubikacji, śmietników, wagonów do transportu zwierząt. Kwasy mineralne są bardziej skuteczne niż kwasy organiczne (kwas nadoctowy). Kwasami mineralnymi przeprowadza się dezynfekcję dojarek.

2.Środki utleniające - związki chloru

W praktyce stosuje się chlor jako gaz, chloraminy organiczne i podchloryny.

Bardzo silnym środkiem utleniającym jest ozon (dezynfekcja wody).

Woda utleniona, nadmanganian potasu.

3.Alkohole - aktywność bakteriobójcza alkoholi wzrasta wraz ze wzrostem ilości atomów węgla.

Alkohol etylowy i propylowy (propylowy - najsilniejsze działanie, stosowany do dezynfekcji w stężeniach od 40-80%; najsłabiej działa metanol; alkohol etylowy najsilniej działa w stężeniu 70%)

4.Aldehydy

-aldehyd mrówkowy - szerokostosowany (w pomieszczeniach)

-aldehyd glutanowy - wchodzi w skład wielu preparatów stosowanych do dezynfekcji

Aldehyd mrówkowy wchodzi w skład formaliny. Formalina zawiera 37% aldehydu mrówkowego i od 10 do 15% aldehydu metylowego. Do odkażania przygotowuje się wodny lub alkoholowy roztwór formaliny w stężeniu od 3 do 20%.

Aldehyd glutanowy - działa na bakterie Gram - i Gram + .

Septofar - w sklepie

5.Fenol i jego pochodne

W praktyce fenolu już się praktycznie nie używa.

Septyl, lizol - w sklepie

6.Związki powierzchniowoczynne

Czwartorzędowe związki amoniowe - ulegają w wodzie łatwiej dysocjacji, obniżają napięcie powierzchniowe i wykazują bardzo silna aktywność odkażającą; działają pobudzająco na inne środki dezynfekcyjne.

-sterinol - w aptekach

-zanosept

7.Jodofory - grupa związków dezynfekcyjnych - koloidalne roztwory jodu w związkach powierzchniowoczynnych lub polimerach, spełniające rolę nośników. Aktywność jodoforów polega na utlenianiu.

-jodoseptyl

-inkodyna

-jodyna

8.Chloroheksydyny - dezynfekcja ogólna

Działają na bakterie Gram - i Gram +. W praktyce używa się 20% wodny roztówr dwuglukomianu chloroheksydyny.

Disteryl - sterinol + dwuglukomian chloroheksydyny

9.Sole metali ciężkich

Metale ciężkie działają hamująco na wzrost drobnoustrojów, są bakteriobójcze.

Rtęć, kadm, srebro, złoto, ołów.

Najczęściej stosowane są sole rtęci i sole srebra.

Metale ciężkie działają oligodynamicznie (działają w bardzo wysokich rozcieńczeniach)

Systematyka bakterii jest sztuczna, polega na opisie, ale wprowadza coraz więcej elementów naturalnych. Należą do niej: Archebacteriae i właściwych (są to 2 królestwa).

Do klasyfikacji: przeprowadzenie barwienia na podstawie pobranej kolonii; obserwacje mikro- i makroskopowe. Przy opisie bierzemy pod uwagę różne cechy.

Międzynarodowy Komitet Systematyki Bakterii opracował kod bakteriologiczny, który służy do opisywania i nadawania nazw Procaryota; różni się od botanicznego tym, że hodowle nowego szczepu muszą być założone w muzeum szczepów bakteriologicznych i będzie służył jako szczep referencyjny (wzorcowy).

Opis bakterii. Bierze się pod uwagę jak najwięcej cech np.:

-morfologiczne - kształt, urzęsienie, ruch, przetrwalnikowanie, barwienie metodą Grama.

-fizjologiczno - biochemiczne - stosunek do O₂, sposób zdobywania energii, zależność wzrostu od temperatury oraz pH.

-hodowlane - rodzaj podłoża, na jakim rosną (np. Ejkmana na E.coli)

-siedlisko - środowisko życia, stosunki pasożytnicze lub symbiotyczne z innymi organizmami

-inkluzje, wtręty, skład zasad DNA, hybrydyzację DNA, sekwencję rRNA, właściwości serologiczne, wrażliwość na antybiotyki

Nomenklatura - jak u organizmów wyższych, nazewnictwo binominalne (1 nazwa - rodzajowa; 2 - gatunkowa)

=na początku mikrobiologii istniały pewne zasady:

-nazwa rodzajowa odzwi. morfologię np. micrococcus, streptococcus.

-nazwa gatunkowa - z fizjologią np. diplococcus pneumoniae - dwoinka zapalenia płuc

Obecnie nie uwzględnia się tych zasad, bo jest duża różnorodność bakterii.

Klasyfikacja bakterii jest sztuczna, więc ma charakter sztuczny; ma na celu uporządkowanie jednostek w grupy wyższego rzędu, obejmuje wiele stopni; najniższa jednostka to szczep - czysta kultura →gatunek→rodzaje→rodziny itd.

Za tworzenie tych systemów odpowiedzialna jest nauka zwana taksonomią bakterii.

Wyróżniamy 2 rodzaje klasyfikacji:

-sztuczna - oparta na podobieństwie między organizmami,

-naturalna (filogenetyczna) - oparta na pokrewieństwie między organizmami

Cel - połączenie podobnych i pokrewnych form i uporządkowanie ich w jedno drzewo filogenetyczne.

Klasyfikacja sztuczna - nie jest klasyfikacją dociekliwą, związaną z podobieństwem organizmów; grupuje bakterie aby móc je zidentyfikować; najbardziej znanym sposobem klucz Bergeya; fundacja jego imienia wydaje co kilka lat uzupełnienia klucza do oznaczania; obecnie liczą sobie 4 tomy: 3 o bakteriach i 1 o promieniowcach.

Systematyka numeryczna - dalszy krok do uporządkowanej klasyfikacji;, opiera się na zasadzie Adamsona - wszystkie cechy organizmu są jednakowo ważne; należy uwzględniać jak najwięcej cech i ustawiać je alternatywnie (tzn. tak lub nie => +/-; Gram + lub nie Gram +; tlenowa lub beztlenowa); można dzięki temu zastosować do analizy komputery;

-w analizie komputerowej daną cechę szczepu porównuje się z cechami u innych szczepów referencyjnych (już zidentyfikowanych);

-podobieństwo jest więc funkcją liczby podobnych cech w stosunku do wszystkich badanych cech;

-podobieństwo między 2 badanymi szczepami A,B wyraża się za pomocą tzw. Współczynnika podobieństwa [S]

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

a,d - sumy cech wspólnych dla szczepów A,B; a - obie cechy pozytywne; d - cechy negatywne; b - suma cech pod względem których A jest pozytywny, zaś B jest negatywny; c - suma cech pod względem których szczep A jest negatywny a B pozytywny

S=<0,1>

S=1 => 100% podobieństwa między A i B; S<0.02 => brak podobieństwa

wartości można przedstawić za pomocą macierzy lub drzewa - dendrogramu bakteriologicznego;

Systematyka filogenetyczna - naturalna, zapoczątkowana w połowie lat 70-tych; wprowadził ja Woesie (biolog; porównywał DNA i RNA izolowane z organizmów stojących na różnych stopniach)

-do porównań wybierał cechy konserwatywne (np. kod genetyczny), które w ciągu ewolucji nie uległy zmianie; wybrał do porównań:

-rRNA - izolował frakcję 16S, ciął łańcuchy przy pomocy enzymów restrykcyjnych na oligonukleotydy i analizował na elektroforezie; im więcej oligonukl. Było podobne tym bardziej spokrewnione były organizmy;

Wzrost bakterii logarytmiczny; rozmnażanie bakterii odbywa się w postępie geometrycznym:

2⁰->2¹->2²->...->2ⁿ

liczba komórek zwiększa się w każdym przedziale czasowym pewną ilość razy, określoną przez stały czynnik, co zwiemy wzrostem logarytmicznym (wykładniczym)

Gdy mamy No komórek to po n podziałach będzie N komórek, co jest równe:

N=No*2ⁿ

po zlogarytmowaniu otrzymujemy

logN=logNo + nlog2 przeliczeniu na liczbę podziałów

n=(logN-logNo)/log2

liczbę podziałów 1 godz. (szybkość podziałów)

V=n/t=(logN-logNo)/log2(t-to)

czas generacji (jeden podział g)

g=t/n=1/V

Jeżeli t=10 godzin 10³->10⁹ to

V=(log10⁹-log10³)/0.3600*10=6/3=2 podziały

Wzrost bakterii

1 faza adaptacji, zastoju (przygotowania) - po zaszczepieniu pożywki komórkami, od wprowadzenia in oculum (inokulizacja - szczepienie) do czasu rozpoczęcia podziału; zależy od wielu czynników: temperatury, rodzaju drobnoustrojów; pod koniec komórki zmieniają matabolizm, faza ponownej młodości;

2 faza logarytmicznego wzrostu - intensywne podziały komórek, liczba przyrostu nowych komórek jest stała; długość zależy od różnych czynników (temp., pH, rodzaj podłoża);

3 faza zwolnionego wzrostu - częstość podziałów maleje; pojawiają się komórki martwe;

4 faza równowagi (stacjonarna) - ustala się równowaga między ilością komórek martwych i żywych; stały poziom ilości;

5 faza zwolnionego zamierania - rośnie ilość komórek martwych, bo jest mniej pokarmu w pożywce; pojawiają się metabolity toksyczne

6 faza logarytmicznego zamierania (śmierci logarytmicznej) - gwałtowny spadek liczby komórek, ostatnia podczas wzrostu, wszystkie komórki mogą umrzeć;

Prócz hodowli stacjonarnych zakłada się hodowle np. ciągłe; wówczas krzywa wzrostu jest inna.

Genetyka drobnoustrojów

Genetyka - nauka o dziedziczeniu; dotyczy zmienności u organizmów żywych.

Źródła zmienności:

-rekombinacja - zwykle u wyżej zorganizowanych; jest rozmnażanie płciowe; u Procaryota nie ma rozmnażania płciowego, ale są procesy paraseksualne: koniugacja, transformacja, transdukcja; (transfekcja, seksdukcja)

-mutacje;

Koniugacja - odkryta w 1946 roku przez Tatuma i Leuleberga; w procesie tym DNA jest przekazywany jednokierunkowo przez mostek cytoplazmatyczny (1 komórka to dawca a druga to biorca). U bakterii są różne typy płciowe: F-, F+ (F - płodność, fertylsation), Hfr (High frequancy of recombination);

-W procesie koniugacji dawca przekazuje biorcy plazmid, chromosom bakteryjny lub jego fragment.

F- są określane jako komórki biorcy; F+ są określane jako komórki dawcy, mają wbudowany w plazmid czynnik F, warunkujący zdolność przekazywania materiału.

Częstość koniugacji między F- i F+ jest bardzo rzadka (1/106)

Hfr - przekazują często materiał genetyczny (1/103), czynnik F wbudowany w chromosom.

-Połączenia koniugacyjne między:

F- i F+

F- i Hfr

Hfr i Hfr

-Koniugacja występuje w przyrodzie; wykorzystuje się ją w badaniach nad genetyką bakterii, jako pierwsza stworzyła podstawy genetyki bakterii; stwierdzona 1 raz u E.coli.

-Powstały po koniugacji twór to merozygota (zygota niepełna)

Transformacja - zaobserwowana w 1928 roku przez Grifitha w hodowli Diplococcus pneumoniae (dwoinka zapalenia płuc). Są następujące typy komórek:

-typ 1 - bezotoczkowy (nie jest chorobotwórcza) czyli chorobotwórcze „-”

-typ 2 - otoczkujące - chorobotwórcze „+”

-typ 3 - otoczkujące, komórki zabite, nie wywołuje choroby

Jeśli zmieszamy typ 1 + typ3 -> choroba „+” powstają żywe komórki z czynnikiem od typu 3 martwego.

Obecnie jest podstawą inżynierii genetycznej. Przebiega naturalnie w przyrodzie; zmiana genomów Procaryota.

Transdukcja - przenoszenie materiału genetycznego między bakteriami przez wirusy - bakteriofagi (wektory).

---