1. Typy odżywiania się mikroorganizmów.
Wśród bakterii możemy spotkać organizmy reprezentujące każdy z typów odżywiania występujący w przyrodzie. Większość z nich jest zaliczana do heterotrofów, czyli organizmów cudzożywnych. Wśród form samożywnych (autotroficznych) znajdują się bakterie chemosyntezujące oraz fotosyntezujące. Te pierwsze do syntezy związków odżywczych wykorzystują energię pochodzącą z utleniania pewnych związków nieorganicznych np. amonowych jak Nitrosomonas, azotynów np. Nitrobacter, siarkowych - Thiobacillus, czy wodorowych, jak Pseudomonas facilis. Bakterie fotosyntetyzujące korzystają natomiast z energii świetlnej. W grupie bakterii przeprowadzających fotosyntezę są takie które uzyskują atomy wodoru z siarkowodoru (beztlenowe) oraz te, które tak jak rośliny czerpią wodór z wody (tlenowe np. sinice).
1. źródło węgla
AUTOTROFY – organizmy, które czerpią węgiel do budowy substancji organicznych z dwutlenku węgla, przy czym nie są zdolne do czerpania go z innych źródeł; samożywne
HETEROTROFY – źródłem węgla są dla nich związki organiczne; cudzożywne
2. źródło energii
FOTOTROFY – energię uzyskują z promieniowania słonecznego
CHEMOTROFY – czerpią energię z utleniania organicznych lub nieorganicznych związków chemicznych
3. źródło (donator) elektronów w procesie biosyntezy
LITOTROFY – źródłem elektronów są dla nich substancje nieorganiczne (H2, NH3, H2S, CO, związki Fe i in.)
ORGANOTROFY – korzystają z organicznych źródeł elektronów.
2. Podział mikroorganizmów w oparciu o sposób odżywania się.
Opis sposobu odżywiania się mikroorganizmów wymaga ustalenia:
· Co jest źródłem energii metabolicznej – energia jest niezbędna dla komórek do wykonania pracy chemicznej, np. biosynteza (anabolizm), pracy osmotycznej (transport przez błony), pracy mechanicznej czy pracy fizycznej.
· Co jest źródłem węgla do syntezy składników komórkowych.
· Co jest donorem elektronów i protonów w układzie przenośników, np. transport przez błony, przemiany energetyczne w komórce.
Ze względu na sposób odżywiania się mikroorganizmy dzielimy na:
· Fotoautotrofy
· Chemolitotrofy
· Chemoorganotrofy
Chemotrofy – mikroorganizmy, które uzyskują energię w wyniku przemian oksydoredukcyjnych organicznych lub nieorganicznych związków chemicznych. Źródłem węgla dla tej grupy może być CO2 lub związki organiczne.
Chemotrofy dzielimy na:
· Chemolitotrofy (chemoautotrofy) – organizmy korzystające z energii zawartej w zredukowanych związkach organicznych, np. azotu, siarki, żelaza lub energii zawartej w H2. Źródłem elektronów mogą być zredukowane związki, takie jak NH3, CO, H2S, S, Fe2+. Źródłem węgla może być CO2 lub związki organiczne. Do tej grupy zaliczamy większość archeonów, bakterie nitryfikacyjne, bakterie wodorowe, żelaziste i wiele innych, szczególnie często występujące w środowiskach wody i gleby.
· Chemoorganotrofy (organotrofy, chemoorganoheterotrofy) – mikroorganizmy, które wykorzystują związki organiczne jako źródło węgla, energii i elektronów (donory wodoru). Należą tutaj wszystkie grzyby (drożdże i pleśnie), większość bakterii, pierwotniaki oraz zwierzęta.
Fotoautotrofy (fotolitoautotrofy) – organizmy samożywne wykorzystujące energię słoneczną. Źródłem węgla dla tej grupy jest CO2, źródłem elektronów są związki nieorganiczne.
Do fotoautotrofów zaliczamy:
· Beztlenowe bakterie fototropiczne, których proces fotosyntezy nie uwalnia do środowiska tlenu, np. purpurowe bakterie siarkowe.
· Tlenowe mikroorganizmy fototropiczne, które w obecności światła wytwarzają tlen – takimi właściwościami cechują się sinice, glony.
3. Wyjaśnić pojęcia: fotolitotrofia, chemolitotrofia i organotrofia - patrz pytanie 2.
4. Oddychanie tlenowe mikroorganizmów.
Oddychanie jest procesem katabolicznym, w którym utlenianie związków organicznych lub nieorganicznych jest sprzężone z syntezą ATP w procesie fosforylacji oksydacyjnej, a końcowymi akceptorami elektronów są związki egzogenne. Energia zawarta w substratach oddechowych jest stopniowo uwalniana w serii sprzężonych reakcji utleniania i redukcji, którym towarzyszy transport elektronów w łańcuchu oddechowym.
W skład łańcucha oddechowego wchodzą co najmniej dwa kompleksy enzym-dehydrogenaza i końcowa oksydoreduktaza. W bardziej kompletnych łańcuchach występują dodatkowe enzymy lub białka przenoszące elektrony.
Łańcuch u Eukaryota jest umiejscowiony w wewnętrznej błonie mitochondrialnej.U Prokaryota w błonach mezosomów w błonie cytoplazmatycznej. W oddychaniu tlenowym końcowym akceptorem elektronów jest tlen. Oddychanie tlenowe daje mikroorganizmom większy zysk energetyczny, a związki organiczne są utleniane do związków obojętnych.
5. Proces fermentacji
Liczne bakterie i niektóre grzyby mikroskopowe posiadają zdolność do przeprowadzania procesu utleniania, nazywanego fermentacją. W fermentacji substrat oddechowy zostaje rozbity i przekształcony, po czym jeden produkt ulega utlenianiu, a drugi redukcji. W przebiegu fermentacji wyzwala się tylko część energii, jaka uwalniałaby się w oddychaniu tlenowym. Energia jest odkładana w ATP, a ten ostatni tworzy się w drodze fosforyzacji substratowej. Wyjątkowo fermentacje mogą przebiegać bez wykorzystania fosforyzacji substratowej, kiedy ATP powstaje kosztem energii pompy wodorowej lub sodowej. Wydajność energetyczna fermentacji jest kilkanaście razy mniejsza niż bez oddychania tlenowego. Do uzyskania tej samej ilości energii co w oddychaniu tlenowym, w czasie fermentacji bakteria musi zużyć wiele razy większą ilość substratu. Produktem fermentacji, oprócz energii zmagazynowanej w ATP, są związki organiczne bardziej zredukowane niż substrat i bardziej utlenione. Bakterie fermentując, modyfikują silne środowisko, zużywając dużo substratu i gromadząc wiele ilości produktów końcowych. Produkty te, są w większości związkami organicznymi, mogą służyć jako źródło węgla i energii dla innych bakterii. Przy dużych stężeniach substratu i dominacji bakterii fermentujących dochodzi do kumulacji produktów, zwłaszcza kwasów i gazów.
Końcowe produkty fermentacji glukozy przez drobnoustroje:
Beztlenowa przemiana pirogronianu do zredukowanego metabolitu, który bez udziału tlenu nie może być dalej metabolizowany, jako produkt niepotrzebny 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 organizmów 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 homogenny, np. kwas mlekowy.
6. Charakterystyka bakterii chemolitotroficznych.
Chemolitotrofy są liczną grupą. Występują w wodzie i glebie głównie. Są to mikroorganizmy, które wykorzystują energię zawarta w zredukowanych związkach chemicznych. 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
Niektóre chemolitotrofy są wyspecjalizowane w sposobie uzyskiwania energii (np. Nitrosomonas - wyłącznie utlenione NH3), inne mogą wykorzystywać kilka nieorganicznych donorów elektronów (np. Aciditobacillus ferroxidans - związki siarki, Fe (II) i wodoru).
7. Oddychanie beztlenowe mikroorganizmów.
Końcowymi akceptorami elektronów są inne niż tlen pierwiastki lub utlenione związki nieorganiczne i organiczne (siarka, azotany, tlenki azotu, siarczany, chlorany). Zależnie od rodzaju akceptora mówimy o oddychaniu azotanowym, siarczanowym, fumaranowym.
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.
8. Fotosynteza bakteryjna.
Mikroorganizmy fotosyntetyzujące żyją w wodzie (morskiej i słodkiej), w warstwach dennych płytkich stawów, na powierzchni bagien, lodowców, gleby.
Mikroorganizmy fotosyntetyzujące:
* oksygenowe - wytwarzają tlen w czasie fotosyntezy, jako donor elektronów, do redukcji NADP+ wykorzystują H2O
* anoksygenowe - nie wytwarzają tlenu, donorami elektronów są nieorganiczne związki siarki, wodoru, związki organiczne lub Fe(II). Niektóre gr. w ciemności mogą prowadzić metabolizm chemoorganotroficzny.
Fotosynteza anoksygenowa - bierze w niej udział pojedyncza reakcja świetlna (fotofosforylacja). Elektrony do redukcji NAD nie pochodzą z H2O lecz z innych zredukowanych związków.
Barwniki uczestniczące w fotosyntezie- bakteriochlorofile + barwniki pomocnicze.
Fotosynteza oksygenowa - proces przekształcenia energii świetlnej w energię biochemiczną ATP (fotofosforylacja). Energia świetlna jest też wykorzystywana do oderwania elektronu od cząsteczki H2O i przeniesienia go na utlenioną formę NAD(P). Ciąg dwóch kolejnych reakcji świetlnych aktywuje elektrony do poziomu wystarczającego do redukcji NAD(P) i do wykorzystania H2O jako źródła elektronów.
Fotosynteza bakteryjna przebiega zasadniczo podobnie do fotosyntezy roślinnej, ale różni się kilkoma istotnymi elementami. Przebiega w warunkach beztlenowych z udziałem innych barwników asymilacyjnych niż chlorofil. Odmienna budowa chlorofilu oraz organelli fotosyntezy powodują, iż wymagają one słabszego naświetlania. Absorbują więc światło o dłuższej fali niż światło pochłaniane przez rośliny zielone. Siedliskami tych bakterii są głębsze warstwy wody i beztlenowe muły denne. W miejscach tych znajdują się zredukowane związki siarki, wodór lub kwasy organiczne będące donorami elektronów redukujących. Z tego powodu w wyniku fotosyntezy bakteryjnej nie jest dostarczany do środowiska tlen, a wydzielane są utlenione związki mineralne lub organiczne.
9. Charakterystyka bakterii prowadzących proces fotosyntezy anoksygenowej.
Bakterie fotosyntezy anoksygenowej nie są zdolne do wykorzystywania wody jako donora wodoru, wymagają bardziej zredukowanych donorów, takich jak H2S, H2 lub zw. organiczne.
Zawierają bakteriochlorofil a (niektóre również b,d lub e ) oraz karotenoidy (różne zabarwienie komórek). Bakterie te występują pospolicie w środowisku wodnym, w warstwach dennych płytkich stawów, wodach wolno płynących, przy brzegach jezior, w górnych warstwach bagien.
▫ Purpurowe bakterie bezsiarkowe - Rhodobacter, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum – występują w jeziorach, stawach, w planktonie morskim; posiadają plastyczny metabolizm - w warunkach beztlenowych i na świetle zachowują się jak fotolitotrofy (H2 donor elektronów), w warunkach tlenowych w ciemności stają się organotrofami. Komórki małe, pałeczki, formy spiralne, kuliste.
▫ Purpurowe bakterie siarkowe - rodzina Chromataiceae, Ectothiorhodospiraceae - występują w warunkach beztlenowych w wodach słodkich i słonych, ściekach; donor elektronów H2S. Utleniają siarczki do siarki pierwiastkowej, którą gromadzą w komórkach. Różne kształty komórek, z reguły duże (formy nitkowate, kuliste), często ruchliwe.
▫ Zielone bakterie fotosyntetyzujące
- nitkowate - rząd Chloroflexales - głownie termofilne, występują w gorących źródłach, w warunkach beztlenowych zachowują się jak fototrofy (donor wodoru H2 lub H2S), nie gromadzą siarki w komórkach, w warunkach tlenowych nie wytwarzają chlorofilu i zachowują się jak organotrofy.
- siarkowe - rząd Chlorobiales - bezwzględne beztlenowce i fototrofy (donor elektronów- zredukowane związki siarki), siarkę odkładają w komórkach. Występują w ściekach, wodach słodkich i morskich. Małe pałeczki, nieruchliwe.
10. Toksyczny wpływ tlenu na mikroorganizmy.
Toksyczne działanie może być:
§ bezpośrednie, np. utlenianie grup –SH w białkach, inaktywacja niektórych enzymów, nadoksydacja cytochromów, nadoksydacja lipidów;
§ pośrednie, działanie toksycznych połączeń tlenu
Toksyczne połączenia tlenu:
- wolne rodniki nadtlenkowe (O2-) O2 + e- O2- (1.)
...
ewastyna1