Prof. dr Tanja Berić

EKOLOGIJA MIKROORGANIZAMA

PRIMENJENA MIKROBIOLOGIJA

Mikrobijalne simbioze

Odnosi mikroorganizama u ekosistemu

Industrijska mikrobiologija

Biodegradacija i bioremedijacija

Aktivnost mikroorganizama u ekosistemu

Interakcije mikroorganizama u ekosistemu

Kompeticija

• žestoka kompeticija sa brzo vidljivim rezultatima

• trka u brzini usvajanja nutrijenata, brzini metabolizma i, ultimativno, brzini rasta

• pobednika u trci može da odredi i:

- visoka tolerancija promenljivih uslova sredine

- metabolička fleksibilnost

- rezistentnost na antibiotike i toksine

- sposobnost proizvodnje antibiotika

- sposobnost formiranja spora

- parazitski način života....

Interakcije mikroorganizama u ekosistemu

Kooperacija

• neki MO rade zajedno da bi sproveli neke transformacije koje ne

mogu sami

• partnerstvo bakterija posebno značajno za proces anaerobnog kruženja ugljenika

• MO koji imaju komplementarni metabolizam

• nitrifikujuće bakterije zajedno oksiduju amonijak do nitrata

Simbioze

• svaki oblik zajedničkog života

• parazitizam i patogenost = negativne za domaćina

• komensalizam – nema određenog uticaja na domaćina

• mutualizam – MO je od koristi domaćinu

• mutualistička simbioza je vrlo intimni suživot partnera koji utiče na evoluciju i fiziologiju onog drugog = koevolucija

• ako su promene usled suživota vrlo ekstenzivne = obligatna simbioza

• na ovaj ili onaj način, sve simbioze su KORISNE ZA MO

Simbioze među mikroorganizmima

• češće su nego što se pretpostavlja, ali u mnogima jasan

odnos i prednosti simbioze nisu poznati

• jasno definisane mikrobijalne simbioze su lišaji i konzorcijumi

• lišaj = gljiva + alga (ili cijanobakterija)

• gljiva ima koristi od fototrofnog partnera koji proizvodi hranu

• fototrofni partner dobija zaštitu od erozije i isušivanja ali i čvrst oslonac

• još važnije, lišajske kiseline podstiču rastvaranje i helaciju neorg. jedinjenja neophodnih fotobiontu iz podloge

• diverzitet gljiva mnogo veći od broja vrsta fototrofnih partnera koji ulaze u ovakvu zajednicu

Simbioze među mikroorganizmima

• konzorcijum – mutualizam MO karakterističan za

slatkovodna staništa

• uobičajeno između nepokretne fototrofne zelene sumporne bakterije i pokretne nefototrofne bakterije

• čine do 67% biomase u jezerima

• osnovi za ovakav mutualistički odnos su proizvodnja hrane i pokretljivost

• morfologija zavisi od vrsta koje grade konzorcijum

• obično 13-69 zelenih sumpornih bakterija (epibiont) okružuje 1 pokretnu bakteriju

• konzorcijumi pokazuju fobiju prema mraku i pozitivnu hemotaksiju na sulfide

Interakcije MO sa biljkama

• kroz koren i preko lisne ploče i još intimnije u

vaskularnom tkivu i ćelijama

• mutualizam povećava raspoloživost nutrijenata ili brani od patogena

1. kvržice na korenima leguminoza

2. „crown gall“

3. mikoriza

1.

3.

2.

Interakcije MO sa biljkama

Kvržice na korenima leguminoza

• simbionti: leguminozne biljke i bakterije iz roda Rhizobium

• fiksacija atmosferskog azota (do ¼ ukupno fiksiranog azota)

• fiksaciju azota vrši bakterija enzimom nitrogenazom

• leghemoglobin „čuva“ nitrogenazu od O2

Interakcije MO sa biljkama

Kvržice na korenima leguminoza

• koraci nodulacije

1. prepoznavanje korektnog partnera i pričvršćivanje bakterije za korenske dlačice

2. sekrecija oligosaharidnih signalnih molekula od strane bakterija

3. invazija korenskih dlačica

4. kretanje bakterija do glavnog korena infektivnim nitima

5. formiranje modifikovanih bakterijskih ćelija (bakteroid) u biljnim ćelijama i uspostavljanje uslova za fiksaciju

6. kontinualna deoba biljnih i bakterijskih ćelija koja dovodi do formiranja kvržica

1.

2.

Interakcije MO sa biljkama

„Crown gall“

• parazitska simbioza MO sa biljkom

• Agrobacterium tumefaciens – tumori na nadzemnim delovima biljke

• Agrobacterium rhizogenes – stanje „čupavo korenje“

• Ti i Ri plazmidi

• infekcija kroz oštećenje i nekontrolisani rast tkiva

• integracija T-DNK sa plazmida u genom biljke pokreće tumorski rast i proizvodnju opina (modifikovane AK) koje bakterija koristi kao hranu

Interakcije MO sa biljkama

Mikoriza

• mutualizam između korenova biljaka i hifa gljiva

• protok nutrijenata u oba pravca

• ektomikoriza – hife gljiva intimno obavijaju koren ali plitko prodiru u tkivo

• korenovi drveća

• endomikoriza – deo gljiva ulazi duboko u tkivo korena

• arbuskularna mikoriza

Sadnice bora bez mikorize i sa mikorozom

Interakcije MO sa životinjama

Sisari kao mikrobijalno stanište

• evolucija životinja oblikovana je dugom istorijom simbiotskih asocijacija sa MO

• kod sisara MO naseljavaju sva mesta na telu ali najveći diverzitet i gustinu imaju u GIT (gastro-intestinalnom traktu)

• ruminanti i čovek

• blisko srodni sisari su razvili adaptacije za različite tipove ishrane

• masivna evoluciona radijacija sisara tokom Jure dovela je do razvitka više različitih strategija

• većina sisara razvila je strukturu želuca koja podstiče mutualističke asocijacije sa MO

• fermentacija uz pomoć MO je ostala bitna ili čak esencijalna za varenje

Višestruko poreklo herbivorije kod sisara

Interakcije MO sa životinjama

Sisari kao mikrobijalno stanište

• monogastrični sisari (ljudi) značajan deo energije dobijaju iz bakterijske fermentacije inače nesvarljive hrane

• herbivori su totalno zavisno od fermentacije

• da nema simbioze sa MO, celulozna hrana bi bila neupotrebljiva a diverzitet vrsta manji

• celuloza je, kao najraširenije organsko jedinjenje na Zemlji, veoma bogat izvor energije

• prilagođenost herbivora:

1. uvećana anaerobna komora za čuvanje biljnog materijala

2. produženo zadržavanje hrane u traktu

Interakcije MO sa životinjama

Sisari kao mikrobijalno stanište

• „prednji“ i „zadnji“ fermentori

• prednji – razgradnja biljnog materijiala pre ulaska u želudac (goveda, majmuni, lenjivci i torbari)

• zadnji – cekum između tankog i debelog creva (konji i zečevi)

• u rumenu 300-400 vrsta bakterija

Varijacije građe GIT kičmenjaka

Interakcije MO sa životinjama

Mikrobiom čoveka

• broj MO ≈ 1014 (10 × više od ukupnog broja ćelija ljudskog organizma)

• značajan za rani razvoj i predispoziciju za bolesti

• HMP – Human Microbiom Projekt

1. da li individue dele ključne članove mikrobioma?

2. postoji li korelacija između strukture mikrobijalnih populacija i genotipa domaćina?

3. da li razlike u mikrobiomu korelišu sa promenama u zdravlju?

4. da li su bitne relativne zastupljenosti MO?

Interakcije MO sa životinjama

Mikrobiom čoveka

• individualni diverzitet – ogroman

• ni jedna vrsta nije pronađena za koju bi se moglo reći da je najzastupljenija

• sličnosti na nivou tipova i distribucije gena sličnih funkcija

• personalizovane terapije lekovima

• u debelom crevu 1011- 1012 bak/g

• kolonizacija trakta novorođenčadi praćena je smenom populacija i zajednica sve dok se ne formira neka stabilna flora (kod odraslih)

• 4 tipa, 1800 rodova, 16000 vrsta i više od 36000 sojeva

• jedna osoba – nekoliko stotina do preko 1000 i stabilna

• mikrobiom sisara je „fino podešen“ za svaku vrstu

Interakcije MO sa životinjama

Mikrobiom čoveka

• MO sintetišu niz enzima

• rano u životu imunski sistem „nauči“ da razlikuje domaće bakterije od patogena

• ovi MO doprinose sazrevanju GIT dovodeći do okidanja ekspresije gena u ć. epitela GIT

• uloga mikrobioma u gojaznosti

Mikrobiom debelog creva čoveka određen iz sekvenci 16S rRNK

Interakcije MO sa životinjama

Insekti

• Preko milion vrsta

• Više od 20% podržava neku vrstu mutualističke simbioze sa MO

• MO doprinose ekološkoj uspešnosti insekata (zaštita ili prednosti u ishrani)

• u telu, na telu i endosimbionti

• Endosimbionti obično lokalizovani u specijalizovanim organima

Interakcije MO sa životinjama

Insekti – nasledni simbionti

• način obezbeđivanja simbionta određuje kako mutualizam funkcioniše i koliko je

odnos stabilan

• može poticati iz sredine – horizontalna transmisija ili direktno se prenositi od roditelja na decu – vertikalna transmisija (nasledno)

• nasledni simbionti obično nemaju slobodnoživeću formu – obligatni simbionti

• domaćin ne mora obavezno biti zavisan od simbionta

• primarni i sekundarni simbionti

• primarni su neophodni insektu za reprodukciju i nalaze se u specijalizovanom delu tela – bakteriom, u ćelijama bakteriocita

• Wolbachia – nasledni simbiont koji manipuliše reprodukcijom domaćina izazivajući povećanje broja ženki

• inficira više od 60% vrsta insekata

• oruđe u biokontroli

Interakcije MO sa životinjama

Insekti – sekundarni simbionti

• sekundarna simbioza je veoma široko rasprostranjena kod insekata

• sekundarni nisu neophodni za reprodukciju i ne moraju biti prisutni kod svake jedinke i nisu ograničeni na posebno tkivo

• ulaze u različita tkiva i mogu da žive izvanćelijski, u hemolimfi

• kod insekata koji imaju bakteriom, mogu se naseliti i u njemu

• obezbeđuju domaćinu neku prednost: zaštita (predatora, patogena, toplote) ili prednost u ishrani

Interakcije MO sa životinjama

Funkcionalni značaj obligatnih intraćelijskih simbionata

Aphidae

• hrane se biljnim sokom – siromašan proteinima

• koriste metabolički potencijal simbionta

• Buchnera – u bakteriomu, sintetiše 9

esencijalnih AK za vaši (nisu prisutne u soku)

• komplementacija metabolizma

• nekada i sekundarni simbiont može doprineti

ovom “zajedničkom poslu”

Primarni i sekundarni simbionti biljnih vaši

Interakcije MO sa životinjama

Primarni simbionti- redukcija genoma i razmena genetičkog

materijala

• redukcija genoma primarnih simbionata, visok sadržaj AT parova i

uvećana stopa mutacija – umanjeni kapacitet za DNK reparaciju

• redukcija na račun kataboličkih enzima za razliku od redukcije parazita

koja ide na račun anaboličkih enzima

• razmena genetičkog materijala sa domaćinima

• u genomu voćne mušice otkriven čitav genom Wolbachia a neki od

gena se i transkribuju!

Interakcije MO sa životinjama

Još neki primeri simbioza

• termiti – nemaju intraćelijske simbionte

• pomažu im u varenju lignocelulozne hrane

• akvatični beskčmenjaci:

1. Havajska lignja i gramnegativna bioluminiscentna bakterija

Aliivibrio fisheri – model za izučavanje simbioze

- u svetlećem organu - kamuflaža

2. tubularni crvi oko hidrotermalnih ventila

- trofozom ispunjen granulama sumpora i S-oksidujućim

prokariotima

3. džinovske školjke oko hidrotermalnih ventila

- u škrgama

Aktivnost MO u ekosistemu

Kruženje materije i biodegradacija i bioremedijacija

• ključne nutrijente za život recikliraju i mikro- i makroorganizmi ali aktivnost

MO dominira

• kruženja C, N, S i Fe

• biodegradacija i bioremedijacija – korišćenje biogeohemijskog kapaciteta MO za luženje ruda, transformaciju žive, razlaganje nafte, plastike i drugih ksenobionata

Kruženje ugljenika

• kruži u obliku CO2 kroz atmosferu, zemlju, vodu i biomasu

• najveći rezervoari C su sedimenti i stene ali iz njih se CO2 otpušta veoma sporo

• aerobni fototrofi fiksiraju CO2 i transformišu ga u biomasu (doprinos anaerobnih fototrofa i hemolitotrofa je izuzetno mali)

• u obliku humusa (uginula organska masa) više je C nego u živoj biomasi

• CO2 se vraća u atmosferu kao proizvod oksidacije org. materija (disanje)

Kruženje ugljenika

• kao proizvod razgradnje org. materija može nastati i metan

• metan nastaje u procesu metanogeneze redukcijom CO2 ili transformacijom acetata (anaerobne arhee)

• svaki org. molekul može se pretvoriti u metan kooperativnom aktivnošću metanogena i fermentativnih bakterija = sintrofija

• sintrofi su sekundarni fermentori jer proizvode H2 i CO2

fermetacijom proizvoda primarne fermentacije (kratke MK i alkoholi)

• utrošak H2 (nastalog u sekundarnoj fermentaciji) od strane partnerskog MO je esencijalan (favorizuje inače energetski nepovoljnu reakciju)

• metan-hidrat – molekuli zamrznutog metana u permafrostu

• globalno otopljavanje preti da ispusti velike količine metana iz metan-hidrata u atmosferu

• smatra se da je to bilo okidač velikog permskog izumiranja

Kruženje azota

Kruženje sumpora

• još kompleksnije od kruženja azota zbog postojanja velikog broja oksidacionih stanja S

• najveće rezerve u sedimentima

• u biosferi u okeanu

• bakterije koje redukuju sulfate su mnogobrojne i široko rasprostranjene

• redukcija u aerobnim i anaerobnim uslovima

• redukcija sulfata u zemljištu i sedimentu zavisi od količine org. materijala (H2 potreban za redukciju potiče od fermentacije)

• arhee redukuju elementarni S do H2S

• oksidaciju redukovanih formi sumpora vrše hemolitotrofi koristeći ih kao izvor energije

• asimilaciju sulfata vrše biljke ugrađujući ih u AK

• neke bakterije mogu da oksiduju formu –SH grupe do H2S koji opet litotrofi oksiduju do S ili sulfata

Kruženje gvožđa

• između fero (Fe2+) i feri (Fe3+) stanja

• neke bakterije i arhee koriste Fe3+ jone kao akceptore elektrona u anaerobnom disanju vršeći redukciju do Fe2+ stanja

• Fe2+ se oksiduje hemijski ili aktivnošću gvožđevitih bakterija

• nastali Fe3+ precipitira u obliku oksida gvožđa koje može hemijski da se redukuje do Fe2+

• Fe3+ može da formira komplekse sa različitim org. jedinjenjima i na taj način postaje ponovo rastvorljivo i dostupno kao akceptor elektrona

Biodegradacija i bioremedijacija

• bioluženje ruda – proces transformacije nerastvorljivih sulfitnih ruda do rastvorljivih sulfatnih uz učešće MO

• široko korišćeno za luženja Fe i Cu ali i Au i U, iz ruda sa jako niskim sadržajem metala

• bakterijska oksidacija Fe2+ do Fe3+ je ključna reakcija u većini procesa bioluženja zato što Fe3+ može da oksiduje metale iz ruda pod aerobnim i anaerobnim uslovima, uz snižavanje pH

• bioremedijacija uranom kontaminiranih podzemnih voda

• redukcija U6+ do U4+ (nerastvorljiv mineral) ograničava kretanje

• transformacija toksičnih metala, prvenstveno Hg ali i Pb, As, Cd, Se

• toksični oblik Hg2+ MO redukuju do Hg0

Biodegradacija i bioremedijacija

• bioremedijacija – čišćenje naftnih i uljanih izliva i dr. zagađivača upotrebom MO, tj. stimulacijom aktivnosti MO na određeni način

• ugljeni hidrati iz nafte predstavljaju odličan izvor C za bakterije koje ih oksiduju ako je kiseonik na raspolaganju

• aktivnost ovih MO se može pospešiti dodatkom neorganskih jedinjenja

• bioremedijacija ksenobionata

• jedinjenja nova za prirodu

• neka se relativno lako i brzo otklanjaju iz ekosistema dejstvom MO dok se neka praktično nerazgradiva

• dehlorinacija je glavni način za detoksikaciju ksenobionata

• akumulacija plastike najveći problem

• PHA = polihidroksi alkanoati – „bakterijska plastika“

Mikrobiologija vode

Prečišćavanje voda

• voda – najvažniji potencijalni izvor infektivnih bolesti i hemijske intoksikacije

• kvalitet vode izuzetno bitan za javno zdravlje

• prečišćavanje voda – korišćenje fizičkih, hemijskih i bioloških sredstava za identifikaciju, razgradnju i uklanjanje polutanata

• voda za piće se testira na prisustvo indikatorskih MO

• koliformni indikatori fekalnog zagađenja

• određivanje prisustva i ukupnog broja E. coli – standardni parametar

• tretiranje pijaće vode uglavnom podrazumeva filtraciju i hlorinaciju u fabrikama vode

• otpadne vode iz domaćinstava i industrije se tretiraju u fabrikama za preradu vode pre nego što se ispuste u sredinu

• krajnji cilj je da se smanji količina org. i neorg. maaterijala do nivoa koji ne podržava rast MO

• efikasnost se izražava kao redukcija BOD

Mikrobiologija vode

Prečišćavanje otpadnih voda

• primarni tretman podrazumeva samo fizičku separaciju

koja ostavlja visok BOD

• sekundarni anaerobni tretman – serija reakcija razlaganja i fermentacija koje izvode različiti prokarioti pod anaerobnim uslovima, u bioreaktorima

• prvo se egzoenzimima razlažu makromolekuli do rastvorljivih jedinjenja koja se fermentišu (primarno i sekundarno) do CO2 i CH4

• sekundarni aerobni tretman – oksidativna razgradnja u vodi koja sadrži malu količinu org. molekula

• tercijarni tretman podrazumeva filtriranje i dezinfekciju vode kao u fabrikama vode za piće

Industrijska mikrobiologija

• industrijska mikrobiologija - proizvodnja komercijalnih proizvoda upotrebom

MO, u velikim količinama i po relativno niskim cenama

• pospešivanje (pojačavanje) metaboličkih reakcija koje dati MO inače izvode sa ciljem postizanja overprodukcije

• biotehnologija - menjanje MO od interesa genetičkim inženjeringom da proizvode ono što inače ne proizvode, male količine i skupo

• glavni proizvodi industrijske mikrobiologije mogu biti i sami MO (kvasac)

• kao i: enzimi, antibiotici, aminokiseline, vitamini, aditivi, hemijska roba široke potrošnje (etanol, metanol..) i alkoholna pića (vino, pivo)

• najčešći proizvođači: kvasci, gljive i neki prokarioti (uglavnom Actinobacteria, tj. rod Streptomyces)

• koriste se klasične genetičke metode za selekciju dobrih sojeva (mutageneza i selektivni pritisak)

• imperativ je visok nivo produkcije

• fermentacije u industriji podrazumevaju proizvodnju (iako proizvod ne mora nastajati u procesu biohemijske fermentacije)

Industrijska mikrobiologija

• pored proizvodnje jedinjenja od interesa, MO mora da zadovoljava još uslova:

- može da raste „naveliko“

- zgodno je i ako proizvodi spore – jednostavna inokulacija

- brzo raste u tečnom jevtinom medijumu (najbolje na otpadu)

- ne smeju da budu patogeni za čoveka i životinje

- moraju da budu podložni genetičkim manipulacijama

- gajenje u fermentorima (10 - 500000 l) pod kontrolisanim uslovima

- dodatni trošak predstavlja prečišćavanje proizvoda

• primarni i sekundarni metaboliti

Industrijska mikrobiologija

• većinu antibiotika proizvode Actinobacteria i

poneki grampozitivni bacil i gljiva

• mora se dobiti proizvod visoke čistoće (odstraniti pirogene koji mogu ko-prečišćavati sa antibiotikom)

• vitamin B12 i riboflavin

• enzimi i ekstremozimi

• biogorivo: etanol i biodizel

Proizvodi genetički modifikovanih MO

• MO „obogaćeni“ sisarskim genima

• prvi – insulin

• izazovi:

1. gen se mora postaviti pod kontrolu bakterijskog promotora

2. introni se moraju ukloniti

3. izrođenost kodona utiče na efikasnost translacije

4. mnogi sisarski proteini se modifikuju postranslatorno

Biopesticidi i biofertilizatori

• Bt toksin iz Bacillus thuringiensis kao

insekticid

• upotreba MO i njihovih produkata kao zamena za hemijske pesticide i đubriva

• Plant Growth Promoting Rhizobacteria

- fiksacija azota

- proizvodnja biljnih hormona

- usvajanje nutrijenata

- proizvodnja siderofora

- biokontrola