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