I. PŘEHLED OKRUHŮ:

Obecná mikrobiologie(historie, bakterie, houby, viry)

Bakteriální buňkaMetabolismus Výživa a rozmnožováníGenetikaKoloběhy biogenních prvků (látek)

N – C – P - SMikrobiologie půdyMikrobiologie vodyMikrobiologie krmivMikroorganismy a živočichové

LITERATURA

Voříšek: Zemědělská mikrobiologie (sylaby přednášek). 2006, 2008, 2010Růžek, Voříšek: Vybrané kapitoly z pedobiologie a mikrobiologie. 2003 - 2010Klaban: Svět mikrobů. Gaudeamus, 2007, 2001 (1999)Klaban: Ilustrovaný mikrobiologický slovník. Galen 2005Klaban: Ekologie mikroorganismů. Galen 2011Leitgeb: Mikrobiologie, MON 1988 (1983) (skriptum)Marendiak a kol.: Polnohospodarska mikrobiologia, Priroda 1988Káš: Zemědělská mikrobiologie, SZN 1983 Rozšiřující:Kaprálek: Fyziologie bakterií, SPN 1986Rozsypal a kol.: Obecná bakteriologie, SPN 1989Brady, Weil: The nature and properties of soils, Prentice Hall 1999Atlas: Principles of microbiology, WCB 1997Paul, Clark: Soil microbiology and biochemistry, AP 1996Paul: Soil microbiology, ecology and biochemistry. AP 2007Tománková a kol.: Potravinářská mikrobiologie. PowerPrint 2006 (skriptum)

I. ÚVOD

I.1. Vymezení pojmůMikrobiologiePrionyViry

Bakterie Houby

I.2. Základní historické údajeFracastorius (1546)van Leeuwenhoek (1632-1723)

1674, 24.4.1676Pasteur (1822-1895)

Fermentace, techniky, hnití, nemoci, vakcinace-imunisace

Koch (1843-1910)Izolace, nemoci, 4 postuláty

I.3. Zemědělská mikrobiologie, „půdní“Kostyčev, Ivanovskij, Vinogradskij, Popov, Omelianskij, Mečnikov

II. MIKROBY V TEORII VZNIKU ŽIVOTA

Samoplození X Biogenese

Monomorfismus X plejomorfismus

Pasteur – odmítnutí samoplození

Živý systém = vysoce uspořádaný soubor látek (NK, BÍLKOVINY, TUKY, GLYCIDY), stabilní, strukturní, výměna látek, růst, rozmnožování, vývoj

Etapy evoluce

Říše : 5 – 6, (?? podbuněčné organismy)

(Prokaryota) MoneraArchaebacteriaEubacteria

(Eukaryota) ProtistaHoubyRostlinyŽivočichové

III. MORFOLOGIE BAKTERIÍ

Základní údajeKokyTyčinkyVláknité bakterie

Stavba bakteriální buňkyBičíkFimbrie (pily), glykokalyxPouzdro, kapsula, slizový obalBuněčná stěnaCytoplasmová membránaCytoplasmaRibosomyNukleoidPlasmidyMesozomInkluseSpora, sporulace

Základy systematiky bakterií

III.1. ZÁKLADNÍ ÚDAJE Prokaryotická buňka

úplná samostatnost buňkynepřítomnost jádra

(chybí jaderná membrána, haploidní – 1 chromosom)nepřítomnost buněčných organelodlišná stavba ribosomů – 70S (30S + 50S)příjem živin celým povrchempeptidoglykan v buněčné stěněanaerobiosa (část)schopnost (část) vázat N2

velikost v mikrometrech: (0,2) – 0,4-10veliký aktivní povrch k objemu

1 g Escherichia coli = 1012 b. = 3 m2

Tvar: kulovitý (koky)

válcovitý (tyčinky)vláknitý (aktinomycety a příbuz.)(řada přechodných)

III.2. KOKY

Kulovité, jednotlivě nebo ve shlucíchØ 1 µm 0,8 – 1,2 (3) µm

diplokoky Diplococcus

streptokoky Streptococcus

tetrády Micrococcus

sarcina Sarcina

stafylokoky Staphylococcus

Micrococcus

III.3. TYČINKY

Válcovitý tvar, morfologicky rozmanité0,2-1,2 x (0,4) 1-10 µm 0,8-1 x 3-5µm

často bičíky, jejich umístění (počet) = důležitá charakteristika

Sporulující („bacily“)spóra = odolný klidový útvar

plektridiumklostridium

Rody: Bacillus (aerobní)Clostridium (anaerobní)Sporolactobacillus

Nesporulující rovné (bakterium) Pseudomonas Lactobacillus

Escherichia

vibrio Vibrio spirila Spirillum spirochéta Leptospira

III.4. VLÁKNITÉ A PŘÍBUZNÉ

„vláknité“ bakteriebuňky v dlouhých řetízkách často s povrchovou vrstvou – sirné b.

aktinomycety – myceliární strukturadlouhá větvená jednobuněčná vláknaØ 1 µm, délka i desítky mikrometrůsubstrátové a vzdušné myceliumtvorba konidií (vzdušné mycelium) = nepohlavní rozmnožovací

částicetypické půdní organismy

Rody: StreptomycesNocardiaActinomyces

plejomorfní tyčinkynepravidelný tvar, často větvené

Rody: Rhizobium (fixace N2)Mycobacterium (půdní, TBC)Propionibacterium (sýry, vitaminy)Eubacterium (trávicí trakt)

III.5. Stavba bakteriální buňky

Vnější struktury – postradatelnéBičík (Flagellum)Fimbrie, pily, glykokalyxPouzdro, kapsula, slizový obalBuněčná stěna

Vnitřní struktury – nepostradatelné (většina)

Cytoplasmová membránaCytoplasmaRibosomyNukleoid(Plasmidy)Mesozom(Inkluse)(Spora)

III.5.1. Bičík (Flagellum)

Orgán pohybu Pouze u některých bakteriíUkotven v cyt.membráně basalním tělískemSložen z bílk. vláken – flagelinØ cca 20 nm, délka až 15-20 µmAntigenní vlastnosti („F“)Umístění a množství druhově specifické:

1. MONOTRICHA jeden bičík na jednom pólu Vibrio cholerae

2. LOFOTRICHA svazek bičíků na jednom póluPseudomonas sp.

3. AMFITRICHA na každém pólu jeden nebo i více bičíkůSpirillum volutans

4. PERITRICHA povrch buňky pokryt bičíkyEscherichia coliBacillus sp.Clostridium sp.Proteus vulgaris

III.5.2. Fimbrie, pily, glykokalyx

Povrchové vláknité struktury

FimbrieAž 1000, Ø 3-10 nm, délka až 1-několik µmBílkovinné vláknoFunkce: uchycení k povrchům

PilyPodobné fimbriím, 1-10 na buňkuSilnější (9-10 µm)Bílkovinné vláknoFunkce: F-pily podmínkou konjugace

Receptor pro uchycení některých virů

GlykokalyxPolysacharidová vláknaFunkce: Adherence na povrchy Vymezení prostoru pro exoenzymy

III.5.3. Pouzdro (kapsula), slizový obal, S-vrstva

Povrchové ochranné struktury

Pouzdro (kapsula)Polysacharidy + další komponentyVýrazně strukturní, vazba na buněč. stěnuVýrazně zvyšuje odolnost (vnější podmínky, fagocytosa…)Antigenní vlastnosti = „K“ antigen

Slizový obalHlavně polysacharidy„Nestrukturní“, bez vazby na bun.stěnu

S-vrstvaKrystalická protein. vrstva (i Archaebact.)Ochranná fce

III.5.4. Buněčná stěna

Přítomna u většiny bakterií (ne Mycoplasma, některé Archaebacteria), je ale postradatelná

PEPTIDOGLYKAN je typický komponent =N-acetylmuramová kys. + N-acetylglukosamin

(spojené můstky, vytváří „síťovinu“)Dále D-aminokyseliny – např. DAP

Není u eukaryotů a archaebakteriíTlouštka velmi variabilní (cca 10 – 80 nm)Výrazný rozdíl mezi G+ a G- bakteriemiFunkce: Ochranná (osmot.tlak, chemické l., aj.)

Určuje tvar buňkyAntigenní vlastnosti („O antigen“)Regulace přijmu živin

Buněčná stěna G+ bakterií - fialová barva

Velmi silná, 20 – 80 nm, Ø cca 40 nm)Relativně jednoduchá stavba, v podstatě jednovrstevná,

z cca 90% peptidoglykanČasto „protkána“ kyselinou teichoovou (rezervoár P)Rody: Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Micrococcus, Staphylococcus, Streptococcus, Streptomyces

Buněčná stěna G- bakterií - červená barva

Tenká, cca 10 nmObvykle trojvrstevná: vnější membrána, „dvojvrstevná“, 7-8 nm;vysoký podíl lipidů:

tvořená fosfolipidy, proteiny, lipopolysacharidy, lipoproteiny, poriny (průchod živin)

peptidoglykanová vrstva velmi tenká, cca 1 nmperiplasmatický prostor – gel

Rody: Acetobacter, Azotobacter, Escherichia, Pseudomonas, Rhizobium, Salmonella

III.5.5. Cytoplasmová membrána

Nepostradatelná struktura bakteriální buňky

Hlavní komponent :fosfolipidy tvořené fosfátovou skupinou a mastnými kyselinami - spojeno glycerolemVýznamný podíl proteinů rozložený v matrixu membrányFosfát(-) je hydrofilní (obvyklá orientace vně buňky)Mastné kyseliny (NEPOLÁRNÍ) jsou hydrofóbníPůsobí dvojvrstevným dojmem – ale fluidní strukturaTloušťka: 5-10 nmFunkce:

Osmotická barieraSelektivní bariera (semipermeabilita)Transport živinMetabolismus (respirace; fotosynthesa;

synthesa tuků a buněčné stěny)Přítomnost receptorůChemotaxe

III.5.6. Cytoplasma

Vyplňuje vnitřní prostor buňkyProstor pro vnitřní strukturyVýznamná v metabolismu buňkySložení (= cytosol): voda, bílkovinyProtoplast = cytoplasma + cytopl. membrána

III.5.7. Ribosomy

Počet: obvykle 10000 (i více), souvisí s úrovní metabolické aktivity Velikost: 70S (eukaryota 80S)Rozměry: cca 15 x 20 nmStavba: 2 zákl. subjednotky 50S a 30S

50S = 23S rRNA + 5S rRNA + bílkoviny30S = 16S rRNA + bílkoviny

Složení: cca 60% RNA + 40% bílkoviny(v ribosomech cca 80% buněčné RNA, zbytek jako mRNA a tRNA)

Funkce: syntesa bílkovin

III.5.8. Nukleoid

Synonyma: chromatin, chromatinové tělísko, aj.Tvořen dvouvlákennou DNA v kruhuJediný chromosom u většiny bakteriíDélka až 1,4 mmBez jaderné membrányObsahuje 99 – 100 % buněčné DNAV oblasti nukleoidu se nachází i bílkoviny a stopy RNA (transkripce)Funkce: kóduje dědičnost (cca 3500 genů)

III.5.9. Plasmidy

Postradatelná součást buňky, zvyšuje genetickou variabilituTvořeny kruhovou dvojvlákennou DNA (extrachromosomální DNA)Počet: 0 – cca 100Samostatný replikon – replikace nezávislá na dělení buňky resp.

na replikaci chromosomální DNA„Curing“ = ztráta plasmidů při děleníTypy plasmidů:

Kompatibilní x nekompatibilníF-plasmidy = konjugativníR-plasmidy = kódují rezistenci (antibiotika, toxiny…)Temperovaný = dočasná součást chromosomuMetabolické plasmidyPlasmidy virulencePlasmidy – kód pro bakteriociny

Funkce - shrnutí:dodatková genetická informace (obvykle < 30 genů)významný nástroj genových manipulací

III.5.10. Mesozom

= intracelulární membranoidní struktura

Derivát (vychlípenina) cytopl.membrányFunkce: nejasná – metabolismus,

dělení buňky až názor, že se jedná o artefakt

III.5.11. Inkluse

Granule = uložení sloučenin uvnitř buňky, některé s membránouNapř: zásobní materiál (polyhydroxybutyrát)

polyfosfáty (volutin)metabolity (granule S)

III.5.12. Spóra (sporulace)

= odolný klidový útvar vznikající uvnitř (endospóra) některých bakterií Bacillus, Clostridium,(Sporolactobacillus, Sporosarcina)

životné i po 500 letech (i tisíce?)Umístění: centrální až terminální Neslouží k rozmnožování, z 1 buňky 1 spóraVysoká odolnost: teplo, UV záření, sucho, barviva, chemikalie… „Životní cyklus“ sporulujících bakterií:

vegetativní b., sporulace, spóra, klíčení, vegetativní b.Sporulace cca 10 hod v 7 fázích

Spóra (odlišnosti od vegetativní buňky):Stavba – více „obalů“: exosporium, plášť spóry,

kortex (peptidoglykan), stěna spóry, cytoplasm. membrána

Chemismus – snížený obsah volné vody, vysoký obsah kys. dipikolinové

Snížený metabolismus („nulový“)Nepřijímá živiny z vnějškuRedukce ribosomů

vnější membrána

DNA

vnitřní membrána

kortex

obal spóry

exosporium

protoplast

III.6. Systematika a identifikace bakterií

Základní taxonomická jednotka - druh= soubor buněk charakterizovaných stejnými morfologickými,

kultivačními, biochemickými a dalšími vlastnostmiPodmínka při určování – čistá kultura,

získáme nejlépe rozmnožením 1 buňkyMorfologické vlastnosti:

tvar, seskupení, barvitelnost dle Grama (G+, G-), velikost (?), bičíky, tvorba spór…tvar, barva a okraj kolonií; charakter růstu v tekutém prostředí

Kultivační (fyziologické) vlastnosti:(obvykle optimum a rozmezí)Teplota, pH, vztah k O2, tolerance k chemikáliím (např. NaCl, žlučové soli)

Biochemické (metabolické) vlastnosti:Zdroje živin – C, N….Enzymy - katalasa, hydrolasyMetabolity (primární, sekundární).Energetický metabolismus

Další vlastnosti:DNA charakteristiky: % G+C v DNA, složení DNA (hybridizace, PCR)Serologické vlastnosti

Systematika:

Obdobná dalším organismůmDruh– Rod – Čeleď – Řád – Oddělení - Říše

Možné i nižší jednotky než druh: poddruh, morfovar, patovar, serovar…

Základní název binární (vždy jen jeden !?)Lactobacillus plantarumEscherichia coliPseudomonas fluorescensEnterococcus faecium (pův. Streptococcus faecium)

Systémy bakterií

Celá řada přístupů

Fylogenetický systém„Morfologický systém“ – původně založen hlavně na morfologii, postupně převládly další charakteristiky

Bergeyś Manual of Systematic Bacteriology, respektuje poznatky z fylogenese bakterií, podrobný taxonomický popisBergeyś Manual of Determinative Bacteriology, „klíč“ pro určování; zde bakterie rozděleny do 35 skupin – morfologie, Gram, vztah k O2;

např. 5.sk.– fakultat. anaerobní G- tyčinky19.sk.–rovné nesporulující G+ tyčinky

Numerická taxonomie - založena na sdružování bakterií podle společných vlastností s využitím statistických metod, tvorba klastrů a

dendrogramů

Taxonomie založená na porovnávání shodnosti vlastností s ideokmeny

rRNA taxonomie – RNA evolučně nejkonzervativnější součást buňky = „biologické hodiny“

IV. MORFOLOGIE VIRŮ

IV.1. Základní údajeIV. 2. Reprodukce IV.3. Systematika

IV.1. Základní údaje

Virus – původně jed, později patogenní mikroorganismus1892 Ivanovskij – objev viru mozaikové choroby tabáku

Podbuněčný (acelulární) organismusIntracelulární obligátní parazit téměř bez vlastního enzymového vybavení, plně závislý na hostitelské buňceVelikost: 30 – 300 nm (elektronový mikroskop)Virion: základní jednotka

Stavba:Centrálně nukleová kyselina – DNA nebo RNA

(= genetický kód, dědičnost)Na obvodu proteinová kapsida složená z jednotlivých kapsomérProstorové uspořádání typické –

spirálovitý (helikální) a poly-edrální (mnohostěn – 16, 24, 32…)Virový plášť (pouze u některých) – vnější lipidový obal

IV.2. Reprodukce

Vždy v hostitelské buňce

Základní fáze:Přichycení na receptor hostitelePenetrace = průnik do hostitelské buňky (virion tím zaniká)

Dále dvě možnosti:

Lytický cyklus – okamžité využití metabolismu hostitelské buňky a

reprodukce virionů (viz schema)

Lyzogenní cyklus – virion se stává na omezenou dobu součástí

chromosomu hostitelské buňky = temperovaný virion (viz schema)

IV:3. Systematika virů

Založena na morfologických a dalších charakteristikách virionu

Stavba virionu – holý

– s pláštěm

Stavba kapsidyTyp nukleové kyseliny – DNA, RNAUspořádání NK – jednovlákenná, dvojvlákenná,

přímá, kruhová (DNA)

Hostitelská buňka:živočišná rostlinná mikrobní : bakteriofág

aktinofágmykofág

HOUBY

Základní charakteristikaSystematika hubVýznam hub

(kvasinky a mikromycety)

Základní charakteristika

Typické eukaryotní organismy – plné jádroMono-, di- a polykaryotickéHaploidní kromě zygotyBuněčná stěna často chitin (občas celulosa)Tvar: holokarpický, myceliární (vlaknitý),

častá tvorba rozmnožovacích orgánůVláknité houby: mycelium, stélky, hyfyVelikost: jednotky až stovky mikrometrůJedno- a vícebuněčné, bez buněčných přep.Převážně aerobní (anaerobní bachorové h.)NefotosyntetizujícíHeterotrofníChemoorganotrofní

Saccharomyces Holo 1 B 1 JPenicillium Myc V B 1 JMucor Myc - BP V JBoletus Myc V B 2 J (1 J)

Rozmnožování hub

Vegetativní: fragmenty mycelia, pučení

Nepohlavní částice (spóry): oidie, chlamydospóry, sporangiospóry (Zygomycota), konidie (Deuteromycota)

Pohlavní: pohlavní orgány – antheridium (samčí),

oogonium (samičí) tvorba pohlavních spór (bez meoisy)

askospóry basidiospóry

pohlavní spóry vytvoří mycelium

fúze pohlavních mycelií (dikaryotické myc.) fúze jader a redukční dělení

Systematika hubPodobně jako u bakterií ve vývojiZnaky: uspořádání buněk, rozmnožování, tvar rozmnožovacích částic

Hlavní třídy:

(Oomycetes)Přeřazení do ProtistaNedělené mycelium, diploidní, zoospóryBuněčná stěna - celulosaSaprofytické, parasitické

PerenosporaPythiumPhytophtora infestans

ChytridiomycotaAsexuální zoospóry, jednoduchá buňka až mycelium

Saprofytické, parasitickéČasto ve vodě, na organických zbytcích

SynchytriumZygomycota

Mycelium mnohojaderné bez přepážekRozmnožování: nepohlavní – sporangiospóry

pohlavní – zygospóryPřevážně saprofytní, rozklad jednoduchých glycidů, některé parazitické

MucorRhizopus

AscomycotaVelmi rozsáhlá skupinaMycelium jednak vláknité bohatě větvené a mnohobuněčné, jednak holokarpickéPohlavní askospory vznikají v asku (vřecku); sdruženy do plodniček.Kleistothecium – Perithecium - Apothecium

Saprofytické, parasitickéSaccharomyces (dříve Endomycetes)Chaetomium, XylariaErysiphe (parazitická)

(Deuteromycota )Synonyma: Fungi imperfecti - houby nedokonaléNyní hlavně Ascomycota (Basidiomycota)Houby s neznámým pohlavním rozmnož.Typická tvorba nepohlavních rozmnožov. částic – konidie; konidiofor, fialidaVětšina saprofytických, půdních; spóry rovněž ve vzduchu

Penicillium, Aspergillus, FusariumTrichoderma, Alternaria

Basidiomycota„Houby vyšší“, relativně složitý životní cyklus:

Produkce haploidních basidiospór (obvykle 4) na basidiu Spóry jednojaderné haploidní myceliumFúze dvou mycelií dikaryotické mycelium, jeho růst

Fúze jader (=zygota), meiosa, další děleníVznik basidie a basidiospór

Agaricus, Boletus, Amanita

Význam hubPůda = hlavní rezervoár

MineralizaceHumifikacePůdotvorné procesyDetoxikace xenobiotikKoloběhy biogenních prvků

Voda a vzduchVětšinou nepříznivé pro růstZdroj šíření a kontaminace (spóry)

Krmiva, potraviny (často nežádoucí)Zhoršení organoleptických vlastnostíRozklad živinProdukce metabolitůProdukce mykotoxinůKancerogenní účinkySoučást „kulturní“ mikroflory

Původci chorob – mykózyPrůmyslové využití

AlkoholyOrganické kyselinyEnzymyAntibiotikaDetoxikace Potravinářství