Post on 17-Jan-2016
description
VIDES MIKROBIOLOĢIJAI daļa
Dr. biol., doc.Vizma Nikolajeva
LU Bioloģijas fakultāte
Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra
Vides mikrobioloģija – zinātne par mikroorganismu ietekmi uz vidi un cilvēku dzīvi.
Uz Zemes eksistē 4-6 x1030 prokariotu šūnu (= 2,2x1015 g C).Visvairāk augsnē – 1029. Uz augiem – 1026. Mikroorganismi sastāda >60 % Zemes biomasas.Cilvēkam 1013 šūnu, cilvēka baktērijām 1014 šūnu.
Mikroorganismi ietekmē cilvēci: - tieši (infekcijas slimības); - netieši (iedarbojas uz dzīvniekiem, augiem, ekosistēmu kopumā).
Mikroorganismi:• kā piesārņotāji (eitrofikācija, biokorozija, toksisko metālu mobilizācija, atmosfēras piesārņošana);• kā piesārņojuma apkarotāji (ūdens apstrāde, bioremediācija).
Baktērijas un sēnes dažādos biotoposBiotops Baktērijas,
106 šūnas/ ml vai g
Sēņu hifu garums, m/ g
Baktēriju biomasa, % no mikroorganismu biomasas
Lauksaimnie-cības augsne
900 164 71
Meža augsne 300 330 35
Ezeri 1 ND 100
Okeāns 0,5 ND 100
Jūru nogulsnes 460 ND 100
ND – nav nosakāms. (Frey et al., 1999; Busse et al., 2009; Whitman et al., 1998)
Žurnāli Microbial Ecology. Kopš 1974. g. Springer-Verlag.
Applied and Environmental Microbiology. Kopš 1976. g. American Society for Microbiology.
Advances in Microbial Ecology. Kopš 1977. g. Plenum Press.
FEMS Microbiology Ecology. Kopš 1985. g. Federation of European Microbiological Societies, Elsevier Science Publishers.
The ISME Journal. Kopš 2007. g. International Society for Microbial Ecology.
15. kongress 2014. gada 22.-29. augustā,Seulā, Dienvidkoreja
16. kongress 2016. gada augustā Monreālā, Kanāda
ISME – International Society for Microbial Ecology
Animal-Microbe Symbioses: conflicts, cooperation and co-evolutionArchaea: ecophysiology and evolutionBiodegradation of challenging contaminantsBiodiversity, adaptation and interactions in extreme environmentsBiogeochemical cycles of nitrogenDisentangling the role of dispersal in microbial biogeography through theory and experimentEcological and evolutionary interactions in microbial communitiesEcology of pathogens in the environmentEffects of climate change on microbial communityEmergent impacts of viruses: killing winners, climbing mountains and altering ecosystem functionEngineered or artificial environmentsEukaryotic microorganisms in foodwebEvolution of microbial livesFood microbial ecology: fermentation and beyondFungal ecology and functionHuman microbiomeHunting for elusive microbesLight energy harvest in aquatic environmentLove, hate and cheating: microbe-microbe interactionsMetagenomic discoveriesMeta-ome information to microbial ecologyMicrobe-plant interactionMicrobes in inland watersMicrobial carbon sequestrationMicrobiomes of marine ecosystems: key functions from the cryosphere to the deep biosphereNetwork (systems) microbial ecologySingle-cell windows into microbial ecologySoil microbial ecologyThe bacterial species definition in the era of 'omics'Unusual strategies of microbial energy acquisitation
15. kongress
Luijs Pastērs, Roberts Kohs – tīrkultūru metodes izstrādāšana. Sergejs Vinogradskis – augsnes mikrobioloģijas pamatlicējs, anaerobo, fotosintezējošo un mikroaerofilo augsnes baktēriju kultivēšana (Vinogradska kolonna), hemoautotrofijas koncepcijas izvirzīšana (1887.), anaerobo N2 saistošo baktēriju aprakstīšana, nitrificējošo baktēriju izolēšana un aprakstīšana (1890.), simbiotiskās N2 saistīšanas un nitrātu reducēšanas pētīšana, sērūdeņraža, sēra (1887.) un dzelzs oksidācijas (1888.) aprakstīšana. Martins Beijerinks – simbiotisko (1888.) un nesimbiotisko N2 saistītāju (1901.) izdalīšana, sulfātreducētāju izdalīšana, bioģeoķīmisko ciklu loma dabā. M. Beijerinks un S. Vinogradskis – kultūru bagātināšanas (uzkrāšanas) metodes izstrādāšana. Rodžers Staniers – aerobo mikroorganismu (Pseudomonas u.c.) loma sarežģītu organisko vielu noārdīšanā.
1880. – 20. gs. vidus – tīrkultūru periods. 20. gs. 70-tie gadi – pragmatisma ēra – mikroorganismu izmantošana vides
kvalitātes saglabāšanā un vides atveseļošanā (bioremediācija). Ronalds Atlas, Rihards Barta – naftas piesārņojuma biodegradācija jūrās. 20. gs. 90-tie gadi – pēc Karla Vēzes “revolūcijas” dzīvo organismu filoģenētikā (1980.) – molekulārās metodes, filoģenētiska pieeja vides
mikrobioloģijai. 20. gs. 90-tie gadi – kosmisko tehnoloģiju izmantošana, ekstremālas vides
pētīšana (Antarktika, karstie avoti, dziļūdens “melnie skursteņi” u.c.).
Vides faktoru ietekme uz mikroorganismiem
Skābekļa koncentrācija augsnes daļiņāsMikrobiotopi augsnēMikrobiotopi augsnē
Kopību līdzība ģeogrāfiski atšķirīgās, bet pēc apstākļiem līdzīgās vidēs
Kop
ību
līd
zīb
a
Ģeogrāfiskā distance
Lielie organismi
“Everything is everywhere, but the environment selects”
(Beijerinck; Baas-Becking, 1939)
(Kirshman, 2012)
MITRUMS
Šūnas satur 75-85 % H2O.
Mikroorganismus pēc to minimālo prasību līmeņa iedala:- hidrofīti (vairums baktēriju);- mezofīti (daudzas micēlijsēnes, raugi);- kserofīti (daļa micēlijsēņu un raugu).
Tieša sakarība starp substrāta mitrumu un vides relatīvo gaisa mitrumu.
Vairums baktēriju labi attīstās, ja gaisa relatīvais mitrums 90-95 %.Raugiem pietiekams 85-90 %, micēlijsēnēm – 80 %; kserofītiem – <85 % (65-75 %).
Ūdens pieejamību izsaka ūdens aktivitāte aw – attiecība starp ūdens tvaika spiedienu vidē pret tvaika spiedienu tīrā ūdenī.
Tīram ūdenim aw = 1,000,augsnē parasti 0,90-1,00.
Relatīvais mitrums RH = aw x 100 %
Dažādu mikroorganismu augšanai nepieciešamā ūdens aktivitāte
Ūdens aktivitāte (aw ) Baktērijas Sēnes
1,00
0,90
0,85
0,80
0,75
0,60
Caulobacter
Spirillum
Lactobacillus
Bacillus
Staphylococcus
Halobacterium
Fusarium
Mucor
Debaromyces
Penicillium
Aspergillus
Saccharomyces rouxii
Xeromyces bisporus
Osmotiskais spiediens
Osmotiskais spiediens pūšanas baktērijās 0,5-1,5 MPa
(megapaskali), daudzās augsnes baktērijās 5-8 Mpa.
Vislielākais osmotiskais spiediens micēlijsēnēs, it sevišķi
Aspergillus spp. – līdz 20 MPa.
Osmotiskais spiediens mainās arī vienas sugas robežās,
atkarībā no substrāta.
Nedaudz halofili – aug NaCl konc. 1-6 %. Mēreni halofili – aug NaCl konc. 6-15 %.
Ekstremāli halofili – aug NaCl konc. 15-30 %.
Halotoleranti – var paciest aw samazināšanos.
Osmofili – attīstās vidē ar augstu ogļhidrātu konc.
Kserofili – dzīvo ļoti sausā vidē. Šūnās palielināta neorganisko jonu (piemēram K+) vai organisko vielu (aminoskābju, ogļhidrātu, spirtu) koncentrācija.
TEMPERATŪRAIkviens mikroorganisms attīstās noteiktās temperatūras robežās, ko raksturo trīs punkti: minimums, optimums un maksimums.
Celms 121 (atklāts 2003. g.) – hipertermofils arhejs (Crenarchaeota valsts), opt. 105-107 °C, max 121 °C.
TEMPERATŪRA
Optimālā augšanas temperatūra:
- psihrofiliem <15 C;
- mezofiliem 15-40 C;
- termofiliem >40-80 C;
- hipertermofiliem >80 C.
Psihrotrofi jeb psihrotoleranti – mezofili, kas nelielā ātrumā spēj augt <15 C.
Termotoleranti – mezofili, kas nelielā ātrumā spēj augt >40 C.
Baktēriju un arheju augšanas temperatūraMikroorganismi Minimālā
temperatūraMaksimālā
temperatūra
BaktērijasVibrio marinusMicrococcus cryophilusPseudomonas avenaeEscherichia coliStaphylococcus aureusBacillus subtilisBacillus stearothermophilusThermus aquaticus
-14-807
15153065
25254041455070
102
ArhejiHalobacterium salinariumThermoplasma acidophilumMethanococcus jannaschiiPyrococcus woeseiPyrodictium occultum
2040507060
556295
105110
Vides reakcijas (pH) jeb H jonu koncentrācijas ietekme
Izmaiņas par pH 1 nozīmē 10 reizes izmainītu H+ koncentrāciju.
Visbiežāk optimālais pH baktērijām 5-9, sēnēm 5.
Alkalifili – aug pie pH >8 (piemēram, holeras vibrions, urobaktērijas, arhebaktērijas Natronobacterium spp.).
Neitrofili – pH 6-8
Acidofili – aug pie pH <6
Obligāti acidofilas baktērijas Thiobacillus spp. (opt. pH 2,0), arhebaktērijas Sulfolobus, Thermoplasma spp. Oksidē sulfīdu minerālus.
Acidotoleranti – opt. pH tuvs neitrālam, bet labi pacieš skābu vidi. Alkalitoleranti – pacieš sārmainu vidi.
Prokariotu augšanai nepieciešamais pH
Organismi Minimums Optimums Maksimums
Escherichia coli
Pseudomonas aeruginosa
Clostridium sporogenes
Nitrosomonas spp.
Nitrobacter spp.
Thiobacillus thiooxidans
Lactobacillus acidophilus
Bacillus acidocaldarius
Thermoplasma acidophilus
Sulfolobus acidocaldarius
Bacillus alcalophilus
4,4
5,6
5,5-5,8
7,0-7,6
6,6
1,0
4,0
2,0
1,0
1,0
8,5
6,0-7,0
6,6-7,0
6,0-7,6
8,0-8,8
7,6-8,6
2,0-2,8
4,6-5,8
3,5
1,5
2,5
9,5
9,0
8,0
8,5-9,0
9,4
10,0
6,0
6,8
6,0
4,0
4,0
11,5
Aerācija (gaisa režīms)
a) obligāti aerobi (gaisā 21 % O2)
b) obligāti anaerobi
c) fakultatīvi aerobi
d) mikroaerofili
e) aerotoleranti anaerobi
HIDROSTATISKAIS SPIEDIENS
Barofili jeb pjezofili– nevairojas atmosfēras spiedienā, bet tikai mērenā hidrostatiskā spiedienā, 10-80 MPa. Sastop iežos, okeānu dibenā. Hiperpjezofili – lielā spiedienā, >80 MPa.
Barotoleranti jeb pjezotoleranti– vairojas normālā atmosfēras spiedienā, bet īslaicīgi var izturēt palielinātu spiedienu.
1-400 atm. (0,1-40 MPa) nav nekāda vai ir maza ietekme uz vairumu mikroorganismu.
Par katriem 10 m dziļuma spiediens palielinās par 1 atm. Jūras līmenī 1 atm., 10 m dziļi – 2 atm., 100 m – 11 atm.
STAROJUMS Redzamā gaisma – fotosintēzei. UV stari – nonāvē. 260 nm – baktericīdas īpašības; izmanto mutantu ieguvei un
gaisa dezinficēšanai. UV-C 200-280 nm, UV-B 280-315 nm, UV-A 315-400 nm.
Infrasarkanie stari – sakarsē. Radioaktīvais starojums (, , -stari) – nonāvē; izmanto
mutantu ieguvei un sterilizēšanai. Ultraskaņa – nonāvē; izmanto šūnu un olbaltumvielu
noārdīšanai.
TOLERANCE
Mikroorganismu aktivitātes tolerances robežas
Faktori Apakšējā robeža Augšējā robežaTemperatūra -12 ºC
(psihrofīlās baktērijas) >110 ºC
(sēra reducētājas baktērijas 1000 atm.,sēra oksidētājas okeānu karstajos
avotos)Eh (redokspotenciāls) -450 mV
(metanogēnās baktērijas)+850 mV
(dzelzs baktērijas)pH 0
(Thiobacillus thiooxidans)13
(Plectonema nostocorum)Hidrostatiskais spiediens 0
(dažādi mikroorganismi)1400 atm.
(barofīlās baktērijas)Sāļums 0
(Hyphomicrobium)piesātināts sālsūdens
(Dunaliella, obligāti halofīlāsbaktērijas)
ĶĪMISKIE SAVIENOJUMI Bakteriostatiska iedarbība Baktericīda iedarbība
Pēc iedarbības rakstura: Virsmas aktīvas vielas – bojā šūnapvalku Fenols, krezols u.tml. – bojā šūnapvalku, izmaina
olbaltumvielas Akridīni, NS radniecīgi savienojumi – kavē šūnu
dalīšanos Formaldehīds (40 % - formalīns) – denaturē
olbaltumvielas Smago metālu sāļi – koagulē olbaltumvielas
MIKROORGANISMU AUGŠANA VIDĒ
Pirmā klasifikācijas sistēma
Autohtoni organismi – lēns metabolisms, izmantojot lēni atbrīvojošās organiskās vielas.
Zimogēni – piemērojušies miera un ātras augšanas intervāliem atkarībā no substrāta pieejamības.
Alohtoni – ienesti svešā vidē un parasti tur izdzīvo neilgi.
Otrā klasifikācijas sistēma Oligotrofi – labāk aug mazā substrāta
koncentrācijā (1-15 mg C/l). Kopiotrofi – labāk aug lielā substrāta
koncentrācijā (~1000 mg C/l).
Šūnas virsmas laukuma attiecība pret tilpumu kā organisma izmēra funkcija (Kirshman, 2012).
Trešā (jaunākā) klasifikācijas sistēma Pamatojas uz r- un K-selekcijas koncepciju. r-stratēģisti – uz barības vielu pievienošanu atbild ar lielu augšanas
ātrumu (A). Atbilst zimogēniem un kopiotrofiem.Sintezē ātrās reaģēšanas olbaltumvielas, satur daudz ribosomu – lieli metabolisma izdevumi.
K-stratēģisti – augsta afinitāte pret barības vielām, kas ir zemā koncentrācijā (B). Atbilst autohtoniem un oligotrofiem.Nesintezē ātrās reaģēšanas olbaltumvielas, satur maz ribosomu – mazi metabolisma izdevumi.
Substrāts [S]Aug
šana
s āt
rum
s (
)
strain - celms
r-stratēģistu un K-stratēģistu salīdzinājums
r-stratēģisti K-stratēģisti
Mazi organismi Lieli organismi
Liels elpošanas ātrums Mazs elpošanas ātrums
Apdzīvo rizosfēru Izplatīti visā augsnē
Izmanto svaigu augu un bojāgājušu dzīvnieku materiālu
Izmanto humīnvielas
Populācijas augšanas fāzes vidē Lag-fāze daudz garāka nekā laboratorijas apstākļos. a) Ļoti maza sākotnējā populācija, kas spēj izmantot pievienotās
barības vielas.
b) Pievienoto barības vielu izmantojošā populācija var būt snaudoša vai bojāta.
c) Pievienotā C avota degradācija sākotnēji nav iespējama.
Eksponenciālā fāze (maksimālais augšanas ātrums) tiek sasniegta tikai īsos periodos pēc substrāta padeves.
Stacionārā fāze ir īsu laiku (ja vispār ir). Bojāejas (līzes) fāze visbiežāk tikpat strauja kā
eksponenciālā fāze.
Dzīvotspējīgi, bet nekultivējami mikroorganismi
aktīva augšana pārejas stāvoklis dziļš miers
nāve
nekultivējamskultivējami
atjauno augšanu
atdzīvojas
(Shleeva et al., 2002)
Dzīvotspējīgi, bet nekultivējami mikroorganismi
Feromoni – kāda organisma sintezētas vielas, kas ietekmē citus tās pašas sugas organismus.
Pieder Rpf (resuscitation promoting factor) – dzīvotspēju (kultivējamību, “atdzīvošanos”) veicinošs faktors; baktēriju citokīns; olbaltumvielu dabas augšanas faktors.
Piem., Micrococcus luteus Rpf ir olbaltumviela ar 220 aminoskābēm, gM 19 148.
Rpf aktīvs pikomolārās koncentrācijās.Maksimāla ekspresija lag-fāzē un agrā eksponenciālā
fāzē. Saistīts ar šūnapvalka daļēju hidrolīzi.
“Quorum sensing” (QS) jeb autoindukcija
QS – baktēriju šūnu mijiedarbības mehānisms gēnu ekspresēšanai tikai tad, kad populācija sasniegusi ievērojamu šūnu blīvumu.
QS molekulas sintezējas, blīvumam pieaugot. Sintezētās nelielās molekulas difundē no šūnas ārā un iekšā. Ekspresējas QS atkarīgie gēni.
Visizpētītākā signālmolekulu grupa – gramnegatīvo baktēriju, piem., Pseudomonas spp. N-acilhomoserīnlaktoni.
Signālmolelulu nozīme:• noteikt šūnu blīvumu (QS) piemērošanās • noteikt telpas dimensijas (diffusion sensing) videi (efficiency sensing)
AI-2 (autoinduktors-2 vai metabolisma blakusprodukts)
baktēriju esperanto, molekulāra valoda komunikācijai starp sugām,
>1 milj. gadu veca
N-acilhomoserīnlaktoni un to inhibitori – augu furanoni
Manipulācijas ar baktēriju signālsistēmām!Manipulācijas ar populāciju blīvumu!
Komunikācijas (viedokļu apmaiņas) jēga Koloniju identitāte Mērķtiecīgas kolonijas struktūras izmaiņas,
piemēram, augļķermeņu veidošana Lēmumu pieņemšana, piemēram, lai veidotu
endosporas Citu koloniju atpazīšana un identificēšana
Baktēriju sabiedriskā uzvedība!
Paenibacillus dendritiformis morfoloģiskie tipi
Mijiedarbība vienā baktēriju populācijā.Miksobaktērijas
LuxS/AI-2 regulētā uzvedībaSuga Funkcija
Borrelia burgdorferi
Campylobacter jejuni
Clostridium perfringens
Escherichia coli, EHEC un EPEC
Porphyromonas gingivalis
Salmonella typhi
Shigella flexneri
Streptococcus mutans
Streptococcus pneumoniae
Vibrio cholerae
Vibrio vulnificus
Vibrio harveyi
Virulence, Fe uzņemšana
Kustīgums
Toksīna producēšana
Virulence
Bioplēves veidošana, proteāzes producēšana
Virulence
Bioplēves veidošana
Virulence
Virulences faktora ekspresija
Virulence
Luminiscence, proteāzes un sideroforu producēšana, koloniju morfoloģija