WYKŁAD I

 

Część I

 

-          informacje organizacyjne :

jedna usprawiedliwiona nieobecność

kolokwium końcowe w pierwszym tygodniu po świętach Wielkanocnych w czasie wykładu

egzamin – termin do ustalenia

„Biotechnologia środowiskowa”

„Życie bakterii”

 

Bioróżnorodność w świecie mikroorganizmów, czyli podstawy mikrobiologii. Zdolność rozdzielcza oka ludzkiego to 100 mm. Według dawnej definicji mikroorganizmy to komórki widoczne gołym okiem.

Do mikroorganizmów wykorzystywanych w ochronie środowiska należą:

-          bezkomórkowe : priony, wiroidy, wirusy

-          komórkowe

Procayrota : Archea, Eubacteria, Cyanobacteria

Eucaryota : protista: prototista (glony), protozoa (pierwotniaki), grzyby

Gatunek to zbiór szczepów :

-          podobna zawartość par zasad  G – C (guanina – cytozyna)

-          70 % homologia DNA

-          97 % sekwencja

-          fenotypowo odróżniających się od innych

Szczep to populacja komórek pochodzących od jednej komórki wyjściowej , która odróżnia się od innych populacji tego samego gatunku.

Cechy mikroorganizmów:

-          małe

-          liczne

-          stare

-          różnorodne morfologicznie

-          różnorodne strukturalnie

-          różnorodne genetycznie

-           -„- fizjologicznie

-          -„- ekologicznie

-          wszędobylskie

-          zróżnicowane taksonomiczne

Ad małe:

Nie przekraczają 1000 mm, przeciętnie do kilku mm, ale mogą przyjmować najróżniejsze wielkości – od bardzo małych do ogromnych. Np. wyobrażając sobie Ultramicrobium (przeciętna wielkość) w porównaniu z Epulopiscium fishelsoni otrzymujemy różnicę wielkości jak między myszką a lwem.

Poliviarus sp (wirus) 0,3*0,03

Bakteriofag T2 0,2*0,02

Chrococcocus (sinica)  32*8,0

(1985) – Epulopiscium fishelsoni 30 – 700 mm, żyje w jelicie ryby z rodzaju Acanthuridae (chirurg)

(1999) – Thiomargarita nambiensis (perła siarkowa) 100 – 750 mm, utlenia zredukowane związki siarki redukując jony azotanowe, świeci pod mikroskopem.

(1997) - Marobacterium sanguineum 0,02 – 0,2 mm, organizmy przesączalne, powodują odkładanie złogów w nerkach, w układzie krwionośnym są przyczyną schorzeń serca i zawałów, posiadają 470-500 genów.

<odkrycie ważne m.in. w medycynie, gdyż do tego czasu uważano filtry o średnicy 0,2 mm za  sterylne.>

Ad liczne :

(1998) liczba bakterii w biosferze 4,2 - 6,4 * 10^30 komórek  (więcej o 10^9 niż gwiazd w widzialnej części wszechświata ) jeśli ułożyć je w postaci sznurka to miałby on długość około 5,3*10^18 lat długości.

Ilość C w komórkach bakterii : 3,5 –5,5*10^11 ton (60 C wszystkich Eucariota)

Ilość N w komórkach bakterii : 85 – 130*10^15 ton (Zawierają około 10-krotnie więcej azotu niż wszystkie zwierzęta i rośliny na kuli ziemskiej)

Ilość P w komórkach bakterii : 9-14*10^15 ton.

.

 

Liczba opisanych gatunków

Szacowana liczba gatunków

Wirusy

4,000

400,000

Bakterie

4,000

1,000,000

Grzyby

72,000

1,500,000

Pierwotniaki

40,000

200,000

Glony

40,000

400,000

Rośliny

270,000

320,000

Stawonogi

1,065,000

8,900,000

Pozostałe zwierzęta

255,000

900,000

< Hunter 2002>

wg. Torsuik : w 1 g gleby ==> występuje do 4,000 gatunków!

 

Ad stare

 

4,6 mld lat temu powstała Ziemia

4    mld najstarsze skały

3,7 mld POWSTAJĄ BAKTERIE

2    mld początek atmosfery tlenowej (sinice w postaci stromatolitów – ordowik)

1,7 mld jednokomórkowe eukarionty

200 mln wiek dinozaurów (gadów), paprocie i nagonasienne, pierwsze ssaki

65 mln lat temu człowiek

A BAKTERIE CIĄGLE ISTNIEJĄ!

 

Ad różnorodności morfologicznej

 

Przybierają rozmaite formy:

-          kuliste

ziarniak (Coccus)

                  dwoinki (Streptococcus pneumoniae)

                       łańcuszki (Laetococcus lactus)

                  tetrady i pakiety (Micrococcus lateus)

                  grona ( Staghylococcus)

-          mniej regularne (Caulobacter)

 

Ad różnorodności strukturalnej

 

-          dotycząca  ściany komórkowej

 

Gramm <+> pojedyncza membrana, cienka pojedyncza ściana komórkowa

Gramm < - > podwójna membrana , cienka ściana

Archeobacteria – odmienna budowa ściany komórkowej

 

-          różnych struktur

zewnętrzne ( rzęski, pile, łodyżki, otoczki, pochewki)

wewnętrzne (spory, tylakoidy, mezosomy, nukleoidy)

 

Ad różnorodności genetycznej

Mycoplasma genitalium, Bacillius, E. coli  1 kolisty chromosom

Rhodobacter  - 2 koliste chromosomy

 

Ad. Różnorodności behawioralnej

-          fototaksje, chemotaksje, magnetotaksje

-          różne cykle życia i rozwoju

-          ekspresja genów związana z sytuacją występująca w danym czasie

-          komunikacja pomiędzy komórkami tego samego i różnych gatunków : asocjacja i konsorcja : symbioza, syntrofia, biofilmy (jedno lub wielogatunkowe) „sensing quorum” – główny mechanizm komunikacyjny. Wykorzystywany do koordynacji ekspresji selektywnych genów.

 

Ad róznorodnosci ekologicznej

Zasiedlają wszystkie ekosystemy: zarówno naturalne i sztuczne (powstające na wskutek działalności ludzkiej)

Ekosystemy naturalne np. strefa korzeniowa roślin

Ekosystemy skrajne : kominy hydrotermalne, gejzery, jeziora sodowe

Ekosystemy sztuczne :słone wody pokopalniane, jeziora retencyjne wokół zakładów przemysłowych.

 

Ad. Różnorodności fizjologicznej

Każdy organizm potrzebuje do wzrostu :

-          wody

-          odpowiednie źródło węgla i innych pierwiastków biogennych

-          źródła energii (światło lub odpowiedni związek organiczny lub nieorganiczny)

-          donorów elektronów

-          odp. warunki fizyczne (np. O2, temperatura, ciśnienie, dostęp wody)

Pierwiastki biogenne

1.        C, O, H, N, P, S (makroelementy), C,O,H ==> występują we wszystkich związkach organicznych

2.        pewne kationy K+, Na+ , Mg2+ , Ca2+ (Mg stabilizuje rybosomy, błonę komórkową)

3.        różne mikroelementy : Fe, także Zn, Mo, Co, Cu, Mn (Fe, Mo – skład nitrogenazy)

4.        czynniki wzrostowe – związki, które są mikroorganizmom potrzebne, ale nie potrafią ich one same zsyntetyzować.

Protoautotrofy – rosną na podłożu z prostym  źródłem węgla i solami mineralnymi . nie wymagają czynników wzrostowych. Np. E. Coli, Bacillus subtulis.

Auksotrofy – wymagają czynników wzrostowych. Np. : krętek blady, bakterie mlekowe (witaminy), Haemophilus (m.in. hemu)

 

TYPY POKARMOWE BAKTERII

 

TYP

Źródło energii

Źródło elektronów

Źródło węgla

Fototrofy

Światło

 

 

Chemotrofy

Pierwiastki lub zw. Chemiczne

 

 

Organotrofy

 

zw. organiczne

 

Litotrofy

 

pierwiastki lub zw. nieorganiczne

 

Autotrofy

 

 

CO2

Heterotrofy

 

 

zw. organiczne

 

 

Źródło energii

źródło elektronów

źródło węgla

przykłady

Fotolitoautotrofy

Światło

zw. nieorganiczne

CO2

Sinice, zielone bakterie siarkowe, purpurowe bakterie siarkowe

Fotoorganoheterotrofy

Światło

zw. organiczne

zw. organiczne

Purpurowe b. niesiarkowe, zielone b. niesiarkowe

Chemolitoautotrofy

Zw. Nieorganiczny

zw. nieorganiczny

CO2

bakterie nitryfikacyjne

Chemoorganoheterotrofy

Zw. Nieorganiczny

zw. organiczny

zw. organiczny

wiele różnych bakterii, w tym patogenne

Chemolitoheterotrofy

Zw. Organiczny

zw. nieorganiczny

zw. organiczny

Beggiatoa sp.

 

Oddychanie to utlenianie związków organicznych lub nieorganicznych , synteza ATP w wyniku fosforylacji oksydacyjnej  , uwalnianie energii, wykorzystanie egzogennych końcowych akceptorów : tlenu lub zw. nieorganicznych ( NO32-, NO22-, SO42-,CO2)

-          W warunkach tlenowych związki organiczne są utleniane przez mikroorganizmy do CO2 i H2O całkowicie.

Polifagi – niewyspecjalizowane

-          W warunkach beztlenowych materia organiczna rozkładana jest do metanu (CH4) i  CO2

Zaliczamy tu wiele silnie wyspecjalizowanych organizmów : bakterie nitryfikacyjne, denitryfikacyjne, redukujące siarczany, metanogenne.

Akceptory endogenne : b. fermentacyjne

Akceptory egzogenne : NO32--, SO42-,CO2

                                                       Jony metali Fe3+, Mn4+, Cr6+, U6+

Inne cechy:

-          zdolność do produkcji różnych enzymów (konstytutywnie i adaptacyjnie)

-          wytwarzanie różnych specyficznych produktów (toksyn, miocyny, antybiotyki, substancje odżywcze)

-          wysoki współczynnik metaboliczny

np. 500 kg komórek drożdży będzie produkowało po dobie około 50,000 kg biomasy

       krowa ważąca 500 kg ==> produkuje 0,5 kg biomasy / 24 h.

II część

Pyły : wiatr, pożary, meteoryty, wulkany

Zanieczyszczenia antropogeniczne – wywołane działalnością człowieka.

Zanieczyszczenia naturalne – powstające w czasie np. wybuchów wulkanów, przechodzenia meteorytów przez warstwy atmosfery.

Substancje gazowe – sprawiają największy problem z oczyszczaniem powietrza.


Zanieczyszczenia z powietrza pośrednio zanieczyszczają glebę.

CO2 – zwiększa efekt cieplarniany

CO – toksyczny gaz, łączy się z hemoglobiną

NO3-, SO32-, - odpowiedzialne za kwaśne deszcze

NO – smog fotochemiczny (przemiany pod wpływem światła fotochemicznego),

Aerozole – (na cząstkach pary wodnej mogą się osadzać bakterie i wirusy).

Węglowodory,  szczególnie aromatyczne  (WWA)– nie powinno ich być w ogóle w atmosferze!

Oczyszczać gazy możemy w dwojaki sposób – przy pomocy biofiltrów lub płuczek biologicznych.

 

Biofiltry (łatwo oddzielić duże cząsteczki i różne substancje lotne, takie, jakich nie usuniemy na drodze fizyczno – chemicznej))

Dzielimy je na:

-          naturalne nośniki mikroorganizmów

-          sztuczne nośniki mikroorganizmów.

 


Substancje szkodliwe adsorbowane są na złożu biologicznym przez rosnące na nim bakterie. Materiały wypełniające : substancje naturalne (torf, kompost). Biofiltr powinien być stale wilgotny.

Płuczki:

Zanieczyszczony gaz jest wtłaczany do płuczki, zna podłoże adsorbujące (zwykle woda) ., które jest oczyszczane przez mikroorganizmy metoda osadu czynnego(lub złoża biologicznego). Zanieczyszczenia pozostają w płuczce, oczyszczony gaz jest „wypompowywany”

Powietrze zanieczyszczane np. w rolnictwie (przy intensywnej hodowli).

WODA

75% ziemi zajmują oceany( co daje 1 400 000 m3),ale tylko niewielki odsetek tego jest wodą użyteczną i dostępną. Woda najdłużej przebywa w wieczystych śniegach (tysiące lat)m strefach podziemnych (dziesiątki tysięcy lat), nieco jest jej w atmosferze. Bardzo rzadko mamy do czynienia z naprawdę „czystą” wodą – zwykle zawiera jakieś domieszki, zanieczyszczenia.

Przywracanie wody do użyteczności :

-          usuwanie zawiesin i glonów przy zastosowaniu mikrosit (metody fizyczno – chemiczne), użycie osadnika

-          sedymentacja (opadanie cząstek w wodzie)

-          flotacja (ciężar właściwy cząstki mniejszy niż woda lub większy (jeśli stosujemy powietrze))

-          koagulacja (koloidy i zawiesiny trudno opadające)

-          filtracja – usuwanie z oczyszczonej przez poprzednie procesy wody cząstek o średnicy > 0,1mm

-          adsorpcja

-          wymiana jonowa (żywice jonowe : demineralizacja H2O

-          napowietrzanie i odpędzanie gazów

-          chemiczne utlenianie (usuwanie związków barwnych)

-          procesy membranowe (np. odwrócona osmoza)

-          dezynfekcja (niszczenie mikroorganizmów, najczęściej stosowany chlor, ewentualnie promienie UV)

-          infiltracja

Filtracja – koniec XIX w, powszechnie stosowana do oczyszczania i uzdatniania wody.  Filtry warszawskie – do dziś pracują.

. Rozróżniamy dwa rodzaje filtrów : powolne i szybkie, w zależności od rozkładu ewentualnych zanieczyszczeń przez mikroorganizmy.

Zanim podamy wodę na filtry powolne, należy ją wstępnie oczyścić. (zastosować inne metody w osadniku). Filtry szybkie usuwają substancje niepodatne na rozkład biologiczny.

Filtr – występuje na nim błona biologiczna, filtry powolne nie są poddawane czyszczeniu!!!)

Infiltracja

Gruba Kaśka – jednokomorowa, średnica 11m, głębokość 40 m do niej doprowadzone 15 drenów o średnicy 300 mm ułożone w 1 płaszczyźnie. W Warszawie woda zinfiltrowana pobierana jest z dna Wisły (infiltracja trwa około 15 h  è strasznie krótko) Aby woda była naprawdę czysta – infiltracja powinna być przeprowadzana długo.

Po przedłużeniu infiltracji – przepuszczenie przez baseny infiltracyjne, czasem dodatkowo obsadzone roślinnością. Woda jest dodatkowo oczyszczana przez mikroorganizmy znajdujące się w warstwie wodonośnej. Wody podziemne mogą być częściowo wodami zanieczyszczonymi!!