MIKROBIOLOGIA PRZEMYSŁOWA
SEM VIII
1. Typy odżywiania się mikroorganizmów
2. Podział mikroorganizmów w oparciu o sposób odżywiania się
3. Wyjaśnić pojęcia: fotolitotrofia, chemolitotrofia i organotrofia
4. Oddychanie tlenowe mikroorganizmów
5. Proces fermentacji
6. Charakterystyka bakterii chemolitotroficznych
7. Oddychanie beztlenowe mikroorganizmów
8. Fotosynteza bakteryjna
9. Charakterystyka bakterii prowadzących proces fotosyntezy anoksygenowej
1O.Toksyczny wpływ tlenu na mikroorganizmy
11.Reakcje tlenu podczas przemian mikrobiologicznych
12.Wymagania pokarmowe mikroorganizmów
13.Pienyiastki budulcowe mikroorganizmów
l4 Źródła pierwiastków budulcowych dla mikroorganizmów
15.Podzial mikroorganizmów w oparciu o wymagania pokarmowe
16.Wzrost osobniczy i populacyjny mikroorganizmów
17.Systeniy hodowli drobnoustrojów
18.W drobnoustrojów w hodowli okresowej, fazy wzrostu mikroorganizmów
19.Diauksja
20.Zjawiska shift up” i shift down” w hodowli drobnoustrojów
21.Zmiany w składzie chemicznym drobnoustrojów zależnie od fazy rozwojowej
22.Parametry wzrostu mikroorganizmów w hodowli okresowej
23.Szybkość wzrostu mikroorganizmów, definicja
24.Wzrost ograniczony: limitacja i hamowanie wzrostu mikroorganizmów
25.Wzrost mikroorganizmów w hodowli ciągłej
26zalety i wady hodowli ciągłej
27.Metody mikroskopowe pomiaru ilości drobnoustrojów
28.Metody hodowlane pomiaru ilości drobnoustrojów
29.Tworzenie się biocenoz w środowiskach
30.Sukcesja pierwotna, przykłady
31 .Sukcesja wtórna, przykłady
32.Oddzialywanie mikroorganizmów w środowiskach i bioproduktach
33.Systeniy oddziaływania bezpośredniego
34 systemy oddziaływania pośredniego
35.Oddzialywanie symbiotyczne między mikroorganizmami, przyklady, znaczenie ekologiczne
36.Drapieżnictwo w świecie mikroorganizmów, przykłady, znaczenie biotechnologiczne
37.Systemy oddziaływania pośredniego
38.Komensalizim w świecie mikroorganizmów, przykłady znaczenie biotechnologiczne
39.Protokoopcracyjne powiązania wśród mikroorganizmów, przykłady, znaczenie biotech.
40.Konkurencja i amensalizim jako formy współzależności wśród mikroorganizmów”
1.Typy odżywiania się mikroorganizmów i 2. Podział mikroorganizmów w oparciu o sposób odżywiania się
W procesach wzrostu mikroorganizmy muszą pobierać składniki kom., energię. Energia ta wykorzystywana jest na tzw. Pracę: osmotyczną, chem., fiz. Właściwy sposób odżywiania mikroorganizmów wymaga ustalenia:
a) co jest źródłem energii metabolicznej – energia jest niezbędna komórce dla wykonania pracy chem., np. biosynteza (anabolizm), pracy osmotycznej (transport przez błony), pracy mech. (ruch0, pracy fiz. (świecenie)
b) Co jest źródłem węgla do syntezy składników komórkowych
c) Co jest donorem elektronów i protonów w układzie przenośników, np. transport przez błony i przeminay energetyczne w komórce.
MIKROORGANIZMY dzielimy na: Chemotrofy (chemolitotrofy i chemoorganotrofy) oraz fototrofy
Fototrofy – fotolitotrofy – organizmy samożywne wykorzystujące energie słoneczną. Źródłem węgla jest CO2, źródłem elektronów związki nieorganiczne. Do fototrofów zaliczamy:
A) Beztlenowe bakterie fototropiczne, których proces fotosyntezy nie uwalnia do środowiska tlenu, np. purpurowe bakterie siarkowe
B) Tlenowe mikroorganizmy fototropiczne, takie jak glony czy sinice, które w procesie fotosyntezy wydzielają tlen, takimi właściwościami cechują się sinice i glony.
Chemotrofy – mikroorg., które uzyskują energię w wyniku przemian oksydoredukcyjnych organicznych lub nieorganicznych związków chemicznych. Źródłem węgla dla tej grupy może być CO2 lub zw. organiczne.:
A) Chemolitotrofy – chemoautotrofy – mikroorganizmy korzystające z energii zawartej w zredukowanych zw. nieorganicznych, np. w związkach azotu, siarki, żelaza lub energii zawartej zawartej w H2. Źródłem elektronów mogą być zredukowane związki takie jak: Nh3, CO, H2S, S, Fe3+; źródłem węgla może być CO2 lub zw. nieorganiczne. Do grupy tej zaliczamy bakterie nitryfikacyjne, wodorowe, metanowe, żelaziste i wiele innych, szczególnie często występujących w środowisku wody i gleby
B) Chemoorganotrofy – chemoorganoheterotrofy – organotrofy – mikroorganizmy, które jako źródło węgla, energii i elektronów (donory wodoru) wykorzystują związki organiczne. Należą tutaj wszystkie grzyby, większość bakterii, pierwotniaki oraz zwierzęta.
Fotolitotrofy – organizmy samożywne wykorzystujące energie słoneczną. Źródłem węgla jest CO2, źródłem elektronów związki nieorganiczne. Do fototrofów zaliczamy:
C) Chemoorganotrofy – chemoorganoheterotrofy – organotrofy – mikroorganizmy, które jako źródło węgla, energii i elektronów (donory wodoru) wykorzystują związki organiczne. Należą tutaj wszystkie grzyby, większość bakterii, pierwotniaki oraz zwierzęta.
D) Chemolitotrofy – chemoautotrofy – mikroorganizmy korzystające z energii zawartej w zredukowanych zw. nieorganicznych, np. w związkach azotu, siarki, żelaza lub energii zawartej zawartej w H2. Źródłem elektronów mogą być zredukowane związki takie jak: Nh3, CO, H2S, S, Fe3+; źródłem węgla może być CO2 lub zw. nieorganiczne. Do grupy tej zaliczamy bakterie nitryfikacyjne, wodorowe, metanowe, żelaziste i wiele innych, szczególnie często występujących w środowisku wody i gleby.
Redukcja NAD, (gdy donory wodoru mają wyższy potencjał redox niż NAD) zachodzi na drodze odwróconego transportu elektronów napędzanego przez ATp (NADPH2 jest niezbędny do redukcji CO2) ; elektrony wchodzą do łańcucha oddechowego dopiero na poziomie cyt a i cyt c.
W oddychaniu tlenowym akceptorem jest tlen, szereg reakcji biochemicznych wymaga obecności tlenu. Drobnoustroje tlenowe mają w swoim wyposażeniu cykl kwasów trójkarboksylowych. Pirogronian jest cyklicznie utleniany w cyklu Krebsa. Pirogronian w wyniku tych przemian ulega całkowitej degradacji do CO2 – to całkowite spalanie zwane jest mineralizacją. W cyklu Krebsa zysk energetyczny jest znikomy, nie kończy on jednak oddychania tlenowego (opisuje los atomów C). Cykl Krebsa przygotowuje dopiero do wytworzenia energii, które ma miejsce w łańcuchu oddechowym. Pełny łańcuch oddechowy funkcjonuje tylko u Eucariota, u Procariota są najczęściej znacznie zredukowane przenośniki elektronów ( np. tylko jeden cytochrom). U Procariota zlokalizowanych jest w błoniach mezosomów a u Eucariota w mitochondriach. Następuje stopniowy odzysk energii. 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 dla wzrostu. Do tej grupy należy wiele gatunków drożdży i bakterii (Thibacillus, Bacillus, Pseudomonas) oraz większość pleśni. Liczne mikroorganizmy należące do tlenowców są wykorzystywane w procesach biotechnologicznychnp. Do produkcji kwasów organicznych, antybiotyków. Są to pleśnie z rodzaju i Aspergillus, Penicillum, promieniowce. Zapotrzebowanie na tlen hodowli mikroorganizmów jest uzależnione od rodzaju stężenia źródeł węgla i energii, fazy hodowli, gęstości Komorek i ich stanu fizjologicznego.
Beztlenowa przemiana pirogronianu do zredukowanego metabolitu, który bez udziału tlenu nie może być dalej metabolizowany, jako produkt niepotzrbny komórce, zostaje wydzielony do środowiska. Znaczącym celem dalszej przemiany kwasu pirogronowego do produktu końcowego jest regeneracja, czyli utlenienie zredukowanego NAD-u podczas II etapu. Proces fermentacji jest charakterystyczny dla org. Względnie beztlenowych – drożdże, bakterie mlekowe oraz bezwzględnych beztlenowców – bakterie z rodzaju Clostridium Bacteroides. Produkty końcowe będą zależne od wyposażenia enzymatycznego. Jeżeli drobnoustroje mają skąpe wyposażenie to powstaje produkt homogeny, np. kwas mlekowy; jeżeli jest ono bogate to układ heterofermentacji.
Chemolitotrofy są liczną grupą. Występują w wodzie i glebie głównie. Są to mikroorganizmy, które wykorzystują energię zawarta w zredukowanych związkach chem. I odzyskują te energię w wyniku utleniania związków.
1)Bakterie utleniające wodór – bakterie wodorowe (np. Hydrogenomonas)
H2 + 1/2 O2 à H2O + 1ATP
2)Bakterie utleniające amoniak (np. Nitromonas)
NH4+ + 1,5 O2 à NO2- + H+ + H2O + 2ATP
3) Bakterie utleniające azotany (np. Nitrobacter)
NH4+ + 1/2O2 à NO3- + 1ATP
4)Bakterie utleniające nieorganiczne związki siarki, bakterie siarkowe (np. Thiobacillus)
HS- + H+ ½O2 à S0 H2O + 2ATP
S0 + 1½O2 + H2O à SO42- +2H+ +1ATP
5) Bakterie utleniające jony żelazowe – bakterie żelaziste ( Ferrobacillus)
Fe2+ +H+ + ¼ O2 à Fe3+ + ½ H2O + 1 ATP
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.
Oddychanie beztlenowe ( akceptorem elektronów są utlenione zw. chemiczne)
CO2 à CH4
CH3COOOH à CH4
Węglanowe (bakterie metenogenne)
S0 à H2S
Siarkowe(Desulforomonas)
SO42- à H2S
Siarczanowe (Desulfovibrio)
NO3- à NO2-, N2O, N
Azotanowe (denitryfikatory)
Fe3+ à Fe2+
Żelazowe
Fotosyntezę bakteryjną można podzielić na akoksygenową (nie powstaje w niej tlen jako produkt fotosyntezy) i oksygenową powstaje tlen). Fotosynteza sinic (cyjanobakterii) jest procesem oksygenowym. W skład tej grupy organizmów zwanych dawniej glonami niebieskozielonymi wchodza formy jednokomórkowe i nitkowate. 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 kartenoidy, fikobiliproteiny, fikoerytryna, fikocyjanina, zwane barwnikami dodatkowymi, gdyż absorbują światło o takich długościach fal, przy których chlorofil nie działa wydajnie. Barwniki są uporządkowane w sposób wysoce uporządkowany, co zwiększa efektywność transferu energii świetlnej. Fotosynteza sinic jest podobna do fotosyntezy glonów.
Bakterie zielone i purpurowe tym różnią się między innymi od sinic, że są ścisłymi beztlenowcami i nie wykorzystują wody jako źródła elektronów. Mikroorganizmy te wykorzystuja H2 , H2S i siarkę elementarną jako donory elektronów i mają inne barwniki zwane bakteriochlorofilami, które absorbują światło o większych długościach fali. Wyróżniamy bakteriofil a i b. Bakterie te w czasie fotosyntezy nie wytwarzają tlenu i NADPH + H+. Przeprowadzją cykliczny transport elektronow, który może zostać wykorzystany do syntezy ATP, natomiast nie są zdolne do bezpośredniego wytworzenia NADPH + H+ w czasie fotosyntetycznego przepływu elektrolitów. Zielone bakterie siarkowe mają pewną formę niecyklicznego przepływu elektronów potrzebnego do zredukowania Nad+. Bakterie purpurowe naie dysponuja takim mechanizmem tak, więc NADPH + H+powstaje u nich w wyniku odwrotnego transportu elektronów. W obecności H2 może dojść do bezpośredniego wytwarzania NADPH + H+, jako że H2 ma potencjał redukcyjnybardziej ujemny niż NAD+.
Fotosynteza to przekształcenie energii świetlnej w energię biochemiczną (ATP) oraz siłę redukującą (NADH2).
Bakterie fotosyntezy anoksygenowej nie są zdolne do wykorzystywania wody jako donora wodoru, wymagają bardziej zredukowanych donorów, takich jak H2S, H2 lub zw. organiczne. Występują pospolicie w środowisku wodnym, warstwach dennych płytkich stawów, wodach wolno płynących, przy brzegach jezior, w górnych warstwach bagien.
Zawierają bakteriochlorofil a (niektóre również b,d lub e ) oraz karotenoidy (różne zabarwienie komórek).
a) Purpurowe bakterie siarkowe Chromatiaceaejako donory wodoru wykorzystują H2S w komórkach gromadzą ziarna siarki silnie załamujące światło. Różne kształty komórek z reguły dużych rozmiarów ( formy nitkowate 3×20-50 um, kuliste 3-5 um).Są najczęściej ruchliwe
b)Purpurowe bakterie bezsiarkowe Rhodospirillaceae jako donory wodoru wykorzystują związki organiczne H2, rzadko H2S; nie gromadzą siarki w komórkach. Proces fotosyntezy prowadza tylko w warunkach beztlenowych, a w warunkach tlenowych metabolizm heterotroficzny. Komórki małe (kilka um) , pałeczki, formy spiralne, kuliste.
c)Zielone bakterie siarkowe Chlorobiaceae jako donory wodoru wykorzystują H2S, tiosiarczany, H2. Są to nitkowate lub małe pałeczki (0,8-2um), nieruchliwe.
10.Toksyczny wpływ tlenu na mikroorganizmy
Toksyczne działanie tlenu może być:
a)Bezpośrednie, np. utlenianie grupy –SH w białkach, inaktywacje niektórych enzymów, nadoksydacje, cytochromów, nadoksydacje lipidów
b) Pośrednie działanie toksycznych połączeń tlenu.
1)wolne rodniki nadtlenowe(O2):O2+e-...
ewastyna1