VIDES MIKROBIOLOĢIJA

1. VIDES MIKROBIOLOĢIJA I daļa Dr. biol., doc.Vizma Nikolajeva LU Bioloģijas fakultāte Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

2. 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. • 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).

3. Žurnāli • Microbial Ecology. Kopš 1974. g. Springer-Verlag, Ņujorka. • Applied and Environmental Microbiology. Kopš 1976. g. American Society for Microbiology, Vašingtona. • Advances in Microbial Ecology. Kopš 1977. g. Plenum Press, Ņujorka. • FEMS Microbiology Ecology. Kopš 1985. g. Federation of European Microbiological Societies, Elsevier Science Publishers, Amsterdama.

4. ISME – International Society for Microbial Ecology

5. Microbial origin and evolution • Microbial community diversity • Archaea: important players in diverse microbial ecosystems • The unknowns: rare ones and unculturables • Light and microbial life • Microbial interactions and behaviour • Microbial life in extreme environments • Bioinformatics in microbial ecology • Genetic potential and expression: key functions in microbial communities • Mobility of genes and the species concept • Syntrophy and electron flow in microbial communities • Microbial element cycles • Pathways and physiology • Microbial dispersion and biogeography  • Single-cell techniques in microbial ecology • Novel high-resolution technologies • Protist ecology • Microbial symbioses • Virus-bacteria interactions • Microbial gradient communities • Marine microbiology under climate change • Soil microbiology and heterogeneity • Plant-microbe interactions • The human microbiome • Putting microbes to work • Managing microbial communities • Modelling microbial ecology  • The starving majority: life at low energy flux

6. 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.

7. 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.).

8. Vides faktoru ietekme uz mikroorganismiem Skābekļa koncentrācija augsnes daļiņās Mikrobiotopi augsnē

10. 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 – 65-75 %.

11. 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 %

12. Dažādu mikroorganismu augšanai nepieciešamā ūdens aktivitāte

13. 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.

14. Dažādas koncentrācijas šķīdumu ietekme a) Hipotoniski šķīdumi – šķīdumi ar ļoti zemu osmotisko spiedienu. Šūnas uzņem daudz ūdens, plīst šūnapvalks – plazmoptīze. b) Hipertoniski šķīdumi – šķīdumi ar augstu osmotisko spiedienu (lielu sāļu koncentrāciju). Šūnas zaudē ūdeni, protoplasts atraujas no šūnapvalka – plazmolīze.

15. 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.

16. TEMPERATŪRA Ikviens 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.

17. Baktēriju un arheju augšanas temperatūra

18. 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.). 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.

19. Prokariotu augšanai nepieciešamais pH

20. Aerācija (gaisa režīms) a) obligāti aerobi (gaisā 21 % O2) b) obligāti anaerobi c) fakultatīvi aerobi d) mikroaerofili e) aerotoleranti anaerobi

21. HIDROSTATISKAIS SPIEDIENS • Barofili – nevairojas atmosfēras spiedienā, bet tikai augstā hidrostatiskā spiedienā. Sastop iežos, okeānu dibenā. • Barotoleranti – attīstās normālā atmosfēras spiedienā, bet īslaicīgi var izturēt augstu spiedienu. 1-400 atm. nav 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.

22. STAROJUMS • Redzamā gaisma – fotosintēzei. • UV stari – nonāvē. 260 nm – baktericīdas īpašības; izmanto mutantu ieguvei un gaisa dezinficēšanai. • Infrasarkanie stari – sakarsē. • Radioaktīvais starojums (, , -stari) – nonāvē; izmanto mutantu ieguvei un sterilizēšanai. • Ultraskaņa – nonāvē; izmanto šūnu un olbaltumvielu noārdīšanai.

23. TOLERANCE

24. 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

25. MIKROORGANISMU AUGŠANA VIDĒPirmā 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.

26. Otrā klasifikācijas sistēma • Oligotrofi – labāk aug mazā substrāta koncentrācijā (1-15 mg C/l). • Kopiotrofi – labāk aug lielā substrāta koncentrācijā (~1000 mg C/l).

27. 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. Augšanas ātrums () strain - celms Substrāts [S]

28. r-stratēģistu un K-stratēģistu salīdzinājums

29. 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.

30. Dzīvotspējīgi, bet nekultivējami mikroorganismi aktīva augšana pārejas stāvoklis dziļš miers atjauno augšanu nāve atdzīvojas kultivējami nekultivējams (Shleeva et al., 2002)

31. 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.

32. “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)

33. AI-2 (autoinduktors-2 vai metabolisma blakusprodukts) baktēriju esperanto, molekulāra valoda komunikācijai starp sugām, >1 milj. gadu veca

34. N-acilhomoserīnlaktoni un to inhibitori – augu furanoni Manipulācijas ar baktēriju signālsistēmām! Manipulācijas ar populāciju blīvumu!

35. 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

36. Mijiedarbība vienā baktēriju populācijā.Miksobaktērijas

37. LuxS/AI-2 regulētā uzvedība