Soluhengitys & ”trofit”,kasvuun vaikuttavat tekijät

Mikrobiologia TF00AA22-2003

H. Ojamo & C. Fortelius

Soluhengityksestä Aineenvaihdunta: energian (ATP) tuotto ja solun

synteesireaktioiden (anabolia) lähtöaineiden tuotto Aerobeilla happi toimii aineenvaihduntareaktioissa vapautuneiden

elektronienvastaanottajana (elektroniakseptori) Metanogeeneilla esim. CO2 toimii elektronien (ja vedyn)

vastaanottajana (= anaerobinen soluhengitys); metanogeenit ovat erikoisia kemolitotrofeja (= saavat energiansa epäorgaanisista yhdisteistä) hapettamalla anaerobisesti molekulaarista vetyä (metanogeenien merkityksestä luonnossa kts. myöhemmin syntrofia –käsite) 4 H2 + CO2 --- > CH4 + 2H2O

Metanogeeneilla elektroneja siirtävät entsyymit sisältävät ainutlaatuisia koentsyymejä (kofaktoreja) = pieni orgaaninen yhdiste, joka muodostaa toimivan entsyymin sitoutumalla entsyymin proteiiniosaan (apoentsyymi). Tällöin muodostuu täydellinen entsyyminä aktiivisesti toimiva holoentsyymi.

Soluhengityksestä Epäorgaaniset yhdisteet soluhengityksessä

Eri ”trofit”

Eri ”trofit”

Kemotrofit saavat energiansa

kemiallisista yhdisteistä

Fototrofit saavat energiansa

auringon valosta Autotrofit

CO2 C-lähteenä Heterotrofit

0rgaaniset yhdisteet C-lähteenä

Fotoautotrofit energia auringon valosta; CO2

hiililähteenä (kasvit, levät, osa fotosynteettisistä

bakteereista) Fotoheterotrofit

energia auringon valosta; org. hiililähteet

(osa fotos. bakteereista ja levistä) Kemoautotrofit

kemialliset energialähteet CO2 hiililähteenä (jotkut bakteerit)

Kemoheterotrofit kemialliset energialähteet orgaaniset hiililähteet (eläimet, protozoat, fungit ja pääosa

bakteereista)

Ympäristötekijöiden vaikutus mikro-organismien kasvuun

Ympäristöolosuhteet vaikuttavat paljon siihen, kasvaako tietty organismi tietyssä paikassa

Tärkeimmät ympäristötekijät ovat kasvualusta (mitkä ravinteet saatavana) lämpötila, pH, kosteus, valo ja ympäristön osmoottinen paine (suolojen, ionien läsnäolo), kaasutila

Mikrobit jaetaankolmeen ryhmään kasvu- lämpötilan perusteella:- psykrofiilit -5 - 20 C- mesofiilit 10 - 45 C- termofiilit 40 C ->

Lämpötila

Lämpötila

mesofiilit kasvavat parhaiten 20…45 oC:ssa

psykrofiilien optimi < 15 C ja max. < 20 C

psykrotoleranttien optimi > 20 C;

mutta kasvavat myös << 20 C

termofiilien optimi 45…80 C

hypertermofiilien optimi > 80 C

esim. E. coli (mesofiili) optimi 39 C min 8 C – max 48 C

Mikrobit jaetaankolmeen ryhmään kasvu- pH:n perusteella:- asidofiilit 0 - 7-neutralofiilit 3 - 10- alkalofiilit 7 - 14

pH

pH

asidofiilit/alkalofiilit ovat ekstremofiilejä;

muuten:

bakteerit yleensä pH 5…9

maitohappobakteerit 3.5 …

Thiobacillus spp. 1…

hiivat pH 2…8

homeet pH 1.5 … 8

•Liuoksen, aineen, esineen tms. veden aktiivisuus, aw–arvo, kertoo kuinka paljon vettä on biologisesti käytettävissä.

•aw–arvo lasketaan jakamalla liuoksen kanssa tasapainossa olevan ilman höyryn-paine/puhtaan veden höyrynpaine.

Esimerkiksi merivedelle: [NaCl] n. 3 % => aw = 0.98

Veden aktiivisuus, aw

Isotonisen liuoksen suolapitoisuus on sama kuin solun

Hypertonisen liuoksen suolapitoisuus on korkeampi kuin solun ja solu “vuotaa vettä” ja kuivuu

Hypotonisen liuoksen suolapitoisuus on pienempi kuin solun ja solu turpoo

Suolan vaikutus

osmooosi-ilmiö: vesi diffundoituu korkeammasta pitoisuudesta alempaan

halotolerantit ja halofiilit (sietävät/vaativat > 1 % [NaCl])

ekstremofiileilla halofiileilla optimi 15…30% [NaCl]

osmofiilit pitävät korkeista sokeripitoisuuksista

xerofiilit pitävät kuivista olosuhteista (= vähän vettä)

Veden aktiivisuus, aw

Absoluuttinen kosteus on esim. vesihöyryn massan suhde joko

kuivan tai kostean ilman kokonaistilavuuteen. Yksikkönä

käytetään grammoja vettä kuutiometrissä ilmaa (g/m^3).

Absoluuttisella kosteudella on yläraja, kyllästyskosteus, joka

määrittelee, paljonko vesihöyryä ilmassa voi olla kussakin

lämpötilassa. Lämmin ilma voi sisältää enemmän vesihöyryä

kuin kylmä.

Suhteellinen kosteus on todellisen vesihöyrynpaineen ja

kyllästyshöyrynpaineen välinen suhde tietyssä lämpötilassa.

Se kertoo montako prosenttia absoluuttinen kosteus on

vallitsevan lämpötilan kyllästyskosteudesta.

Kosteus

Suhteellinen kosteus vaikuttaa haihtumisnopeuteen ja erilaisten materiaalien vesipitoisuuteen kuivausnopeuteen.

Esim. hygroskooppisia aineita, kuten paperia, voi absorboida paljon vettä ja siten muodostaa hyvää kasvualustaa mikro-organismeille.

Kosteus

Ympäristön suhteellisen kosteuksen vaikutus paperin vesipitoisuuteen (Monte & Tonolo, 1969)

Kosteus

Ilmassa pääosin N2 (78 %) ja O2 (21 %)

Ympäröivän kaasutilan koostumus vaikuttaa

mikrobikasvuun:

O2 : hapellisessa tilassa kasvavat aerobiset mikrobit

hapettomassa tilassa anaerobiset mikrobitMikrobit käyttävät happea erilaisissa hapetus-

pelkistysreaktioissaAerobisten ja anerobisten mikrobien välimuoto on fakultatiiviset aerobit ja anerobit, ne eivät ole niin ehdottomia hapen suhteen ja kestävät pieniä

happipitoisuuksia

Ilmakehän ja ympäristön kaasutila

aerobit/anaerobit/fakultatiivit/mikroaerofiilit aerobit vaativat happea kasvuunsa ja kasvavat

parhaiten, kun atmosfääri = ilmakehä (n. 21 % happea) anaerobit eivät siedä happea; eri lajeilla herkkyys

hapelle kuitenkin vaihtelee; samoin vaatimukset hapetus/pelkistys-potentiaalin (Eh (mV)) suhteen

fakultatiivit muuttavat käyttäytymistään (metaboliaa eli aineenvaihduntaa) sen mukaan onko happea läsnä vai ei

mikroaerofiilit kasvavat parhaiten, kun happea < ilmakehässä

kasvatus/viljely nesteissä (pullot ja fermentorit) tai agarilla (maljat, vinopinnat, pistoviljelmät); kaasukehän koostumuksen säätö

Happi

N2 : hyvin harvat mikrobit pystyvät sitomaan molekylaarista typpeä ainoastaan

- typpisitovat bakteerit kuten Nitrosomonas, Nitrobacter - syanobakteerit (“sinilevät”)

Saastunut ilma sisältää NOx ja SO2 jotka vaikuttavat haitallisesti mm. rakennuksiin ja historiallisiin monumentteihin. Nämä kaasut ovat kemiallisesti reaktiivisia ja laskevat pH:ta

Ilmakehän ja ympäristön kaasutila

CO2 : hiilidioksidi syntyy respiraation (soluhengityksen) kautta, mutta myös esim. fossiilisten aineiden polttossa (osa kasvihuoneilmiötä)

fotosynteesin aikana kasvit sitovat sitä=> kun ilmakehän CO2 –pitoisuus kasvaa,

myös fotosynteettisten organismien kasvu kiihtyy (levät ym.)

Hiilidioksidi reagoi veden kanssa muodostaen HCO3

josta seuraa mm esineiden ja rakennusten ennenaikaista vanhentumista ja rapautumista

Ilmakehän ja ympäristön kaasutila

Kaikki fotosynteettiset organismit vaativat valoa kasvakseenEi-fotosynteettiset reagoivat eri tavalla valoon, esim.:

kasvun inhibointi sekundäärisia reaktioita kuten entsyymien foto-oksidaatio itiöinnin aktivointi monien hyönteisten ja mikro-organismien kasvu kirjastoissa

aktivoituuu pimeässä

Valo

Tärkeimmät ekologiset valoparametritLaatu (aallonpituus; väri)Määrä (voimakkuus)Vaikutusaika

Klorofylli ei pysty absorboimaan vihreätä valoa. Toiset pigmentit, kuten fykoerytriini ja fykosyaniini, täydentää klorofyllia.

UV-säteily voi indusoida molekyylien, mm DNAn, hajoamista solussa ja siten vahingoittaa organismin.

Valo

Tumma pigmentti suojaa haitalliselta valosäteilyltä, vrt syano-bakteerien tummentuminen auringonvalon vaikutuksen johdosta.

Punainen valo ja IR-säteily kuumentavat, lämpö voi olla hyödyllistä tai haitallista organismeille.

Fotoperiodismi: pimeiden ja valoisten aikajaksojen vaihtelu vaikuttaa hormonituotantoon, morfogeneesiin, toisten organismien kasvusuuntaan ja liikkeisiin, respiraatioon jne.

Valo

Eri syanobakteerien ja levien valoabsorptio eri aallonpituuksilla(Stanier, Douduroff, Adelberg, 1970)

Valo

BiofilmitBiofilmi on pintaan kiinnittyneitä mikrobi-kasvustoja. Pintaan kiinnittyneet mikrobisolutovat vähemmän herkkiä

myrkyille kestävät parem-

min kuivuutta ja kuumuuttasekä säteilyä -> ovat vaikeita tuhota. Luonnossa suurin osamikrobeista on biofilmeissä.

Biofilmin (lähinnä) bakteerit tarttuvat pinnoille ja tuottavat ympärilleen limaa tai limakapselia (esim. polysakkaridia). Lima suojaa bakteereita epäsuotuisilta olosuhteilta ja mikrobisidisiltä aineilta.

Biofilmin muodostuminen on ongelma esimerkiksi viemäriputkissa ja monissa teollisissa prosesseissa, esim. paperin valmistuksessa paperikoneen märkäpäässä

Jos myrkyt eivät tehoa, voidaan esim. suosia kilpailevien ei limaa tuottavien mikrobien kasvua ns. competitive exclusion.

Biofilmit

What is the industrial significance of biofilms?

Microbial biofilms on surfaces cost the nation billions of dollars yearly in equipment damage, product contamination, energy losses and medical infections.

Conventional methods of killing bacteria (such as antibiotics, and disinfection) are often ineffective with biofilm bacteria. The huge doses of antimicrobials required to rid systems of biofilm bacteria are environmentally undesirable  (and perhaps not allowed by environmental regulations) and medically impractical (since what it would take to kill the biofilm bacteria would also kill the patient!).

Toisaalta, pintojen mikrobikasvu/biofilmi voi myös tarjota positiivisia mahdollisuuksia teollisuus- ja ympäristösovelluksissa; esimerkkeinä saastuneiden maa-alueiden bioremediaatio, jäteveden biosuodatus, bioestojen rakentaminen mikrobien avulla jolloin pohjavesikerros suojataan kontaminaatiolta