Ph potencjał oksydoredukcyjny (Eh) Podział bakterii ze względu na zapotrzebowane na O2 Kationy I aniony



Pobieranie 80.29 Kb.
Data07.05.2016
Rozmiar80.29 Kb.
Spis treści

  • Ciśnienie atmosferyczne i hydrostatyczne

  • pH

  • Potencjał oksydoredukcyjny (Eh)

  • Podział bakterii ze względu na zapotrzebowane na O2

  • Kationy i aniony

  • Związki mineralne

  • Związki azotu

  • Związki fosforu

  • Związki organiczne

  • μmax, Ks, Ki

Ciśnienie atmosferyczne i hydrostatyczne

Ciśnienie atmosferyczne - bakterie nie reagują na zmiany ciśnienia atmosferycznego

Ciśnienie hydrostatyczne to ciśnienie słupa wody które rośnie liniowo wraz z głębokością co 10 m rośnie o 1 atm.

Ponad 75% oceanów ma głębokości od 1000 do 6000 m.

1 atm = 98066,5 Pa= 0,0980665 MPa

10 atm= 1 Mpa


Największe ciśnienie hydrostatyczne panuje na dni oceanu spokojnego (Rów Filipiński) i na głębokości 104m wynosi 103 atm

Takie ciśnienie całkowicie hamuje rozwój mikroorganizmów.

Przy ciśnieniu przy 600 atm większość mikroorganizmów już nie rośnie , niektóre jednak przeżywają ciśnienie 2 x 103 atm.
Wyróżniamy organizmy:

Barofile (piezofile) żyjące tylko w warunkach wysokiego ciśnienie i nie rosnące przy 1 atm np. Spirillum izolowane kominów hydrotermalnych rośnie najlepiej przy ciśnieniu 300-600 atm.

Barotolerancyjne – rosną w warunkach wysokiego i niskiego ciśnienia
Do piezofili zaliczamy:


  1. Archeony (Carancheota)

Stanowią one 30% biomasy mikroorganizmów na głębokości 1000-3000m

  1. Bakterie (γ proteobacteria)

    • Są one najczęściej także halofilami (wymagają 3 % NaCl) oraz psychrofilami

    • Do piezofili należy opisana niedawno : Shewanella benthica wyizolowana z przewodu pokarmowego skorupiaka żyjącego na głębokości 5928 m oraz strzykw z głębkości 4575 m

    • Inne piezofile to: Colwelia hadaliensis. Colwelia MT41, Moritella yayanosi

Charakterystyka wzrostu wybranych mikroorganizmów piezofilnych 10 Atm = 1 MPa



Domena

gatunek

Ciśnienie opt.( Mpa)

Temp. opt. [̊C]

Bakterie

Colwellia sp.

80

8

Moritrlla japonica

80

10

Shewanella benthica

45

5

Archeony

Methanothermococcus thermolitohotrophicus

50

65

Methanocaldococcus jannaschii

75

86

Thermococcus barophilus

45

85

Szczególną odpornością na działanie wysokich ciśnień odznaczają się formy przetrwalne.

Przetrwalniki bakterii Bacillus subtilis nie tracą zdolności do kiełkowanie nawet przy ciśnieniu 900 MPa.

Konidia Aspergillus Niger nie są wrażliwe na ciśnienie wynoszące 1000 MPa.

Wzrost większości bakterii ulega zahamowaniu przy ciśnieniu 60 MPa.
Droższe są znacznie bardziej wrażliwe na wysoki ciśnienia – rozwoju większości z nich nie stwierdza się przy ciśnieniu wynoszącym 0,8 MPa.

Większą tolerancja na wysokie ciśnienia odznaczają się piezofile (dawniej zwane bazofilami) zasiedlające głębiny mórz i oceanów.

Zaliczamy do nich mikroorganizmy dla których optymalne ciśnienie dla wzrostu jest wyższe od 40 MPa.

Niektórzy autorzy wyróżniają również hiperpiezofile; szybkość wzrostu tych mikroorganizmów jest najwyższa przy ciśnieniu 60 MPa.


Pod wpływem wysokich ciśnień hydrostatycznych, działających przez dłuższy czas dochodzi do:

  1. zmiany ultrastruktury komórek

  2. zmiany ich składu chemicznego

W komórkach obserwuje się :

  • Zmniejszenie zawartości związków polisacharydowych i fosfolipidów

Oraz

  • Zmiany w błonach prowadzące do zaburzeń funkcji fizjologicznych

  • Rybosomy bakteryjne ulegają dysocjacji na podjednostki co prowadzi do zahamowania biosyntezy białek,

  • Obserwuje się zmiany strukturalne białek,

  • Inaktywacje enzymów oraz

  • Zmiany konformacji kwasów nukleinowych


pH = -lg H+ (np: pH 7,0= 10-7 mola H+/l)

Różnica wartości o pH = 1 oznacza 10-krotnie większa kwasowość lub zasadowość (jest to funkcja logarytmiczna).



Bakterie dzielimy na

Rozwój zachodzi w pH

Optymalny rozwój w pH

Alkalifile

7-11

9-10

Neutrofile

5-8,5

6,5-8

Acydofile

1-5,5

2,5-4

Alkalifile pH >9

Alkalofoby pH<8

Alkalobionty- tolerują środowisko zasadowe przez pewniej okres

Alkalofilamia są


  1. bakterie nitryfikacyjne (Nitrobacter i Nitrosomonas), które rosną w pH=10 (optimum 7,6- 8,8)

  2. Vibrio cholerae – przecinkowiec cholery

  3. Streptococcus pneumoniae – przecinkowiec zapalenia płuc

  • Archeony Natronobacterium, Natronococcus bytujące w sodowych jeziorach o pH 12 i barwiące je na czerwono

  • Archeony Mathanohalophilus, Mathanobacterium, Thermococcus – wyizolowane ze środowisk alkalicznych np. jezior sodowych, środowisk geotermalnych

Acidofile pH <4

Acidofoby pH>6

Acidobionty – tolerują środowisko kwaśnie przez pewien okres

Acydofilem jest np.:


  1. bakteria siarkowa Acidothionbacillus thiooxidans

Utlenia S0 do H2SO4

Rozwija się w pH = 1 (optimum 2 – 2,8) !!!



  1. Bakteria Alicyclobacillus – bakteria termoacidofilna – rośnie w pasteryzowanych sokach owocowych optymalne pH 3,5 – 5 !!! Normalnie rewelacja

  2. archeony Sulfolobus, Thermoplasma – hipertermofile gatunki występujące w wodach płynących przez złoża żelaza i siarki, wodach kopalnianych i glebach wulkanicznych

  3. termofilne archeony Picrophilus oshimae, Picrophilus torridus Gatunki te rosną nawet w pH = 0, optymalny wzrost w pH=0,7

  4. inne acydofile to np. bakterie utleniające związki żelaza Leptospirillus ferroxidans

Acydofilne drożdze i grzyby i glony

  1. do acydofili należą np: SacharomycesAspergillus, - Penicillium

  2. Opisano:

  • grzyby strzępkowe Byssochlamys rozwijające się w pasteryowanych sokach owocowych w pH <2

  • Drożdże Candida davenporti wyizolowane z napojów bezalkoholowych rosnące w pH 1,4

  • acydofilne grzyby Trichosporon rosnące w pH = 0

  1. Opisano także aciodofilne glony Chlorella, Euglena, Chlamidomonas acidophila, Ulothirix zonata występujące w eskremalnie kwasnych strumieniach i źródłach




Organizm

pH

minimalne

optymalne

maksymalne

E. coli

4,4

6-7

9

Pseudomonas aeruginosa

5,6

6,6-7

8

Clostridium sporogenes

5,5-5,8

6-7,6

8,5-9

Nitrosomonas sp.

7-7,6

8-8,8

9,4

Nitrobacter sp.

6,6

7,6-8,6

10

Bacillus alcalophilus

8,5

9,5

11,5

Lactobacillus acidophilus

4

4,6-5,8

6,8

Acidithiobacillus thiooxidans

1

2-2,8

6

Bacillus acidocaldarius

2

3,5

6

Sulfolobus acidocaldarius

1

2,5

4

Uwaga!! Większość środowisk naturalnych ma pH 5-9 i leży w zakresie pH (6,5–7) optymalnego dla większości mikroorganizmów


pH oddziałowuje bezpośrednio na:

  • Dysocjację grup funkcjonalnych białek

  • Aktywność enzymatyczną (biologicznie istotne enzymy wymagają stabilnego odczynu (pH ok. 7)

pH oddziałowuje pośrednio na:

  • rozpuszczalność nieorganicznych soli np. węglanów, fosforanów

  • dysocjacje kwasów i zasad

  • specjację i biodostępność oraz toksyczność metali: Al., Cd, Co, Fe, Mo, Pb, Sn, Zn

  • w środowiskach alkalicznych powstaje toksyczny amoniak NH3

  • w środowiskach kwaśnych powstaje toksyczny kwas octowy

Przystosowanie do pH polega na:

  • Zmianie puli enzymatycznej komórki

  • regulacji wewnątrz komórkowego pH

Kwaso i alkalofile utrzymują pH wewnątrzkomórkowe zbliżone do obojętnego
Potencjał Oksydo-redukcyjny ( Eh)

Pe=-log [e-], gdzie [e-] – stężenie elektronów

Wartość Eh (potencjału oksydoredukcyjnego) określa tendencje do:


  1. oddawania elektronów (utleniania się) -> jednocześnie redukowany jest inny związek

  2. przyjmowania elektronów ( edukowania się) -> jednocześnie utleniany jest inny związek

Potencjał redoks Eh – oznaczany jest w woltach (V) lub miliwoltach (mV)
Drobnoustroje zużywając tlen w procesach metabolicznych obniżają wartość potencjału oksyredukcyjnego -> powstają warunki beztlenowe
Środowiska dobrze natlenione mają wysoką wartość Eh

Środowiska beztlenowe mają niską wartość Eh np. niskie Eh mają:



  • osady i muły denne

  • bagna i moczary

  • podziemne wody

  • źródła ropy naftowej

  • przewód pokarmowy zwierząt

W ekologii granicą dzielącą warunki natlenione od zredukowanych

Jest wartość E7= 0,2 V

Jest to potencjał określany do wartości pH = 7

E7> 0,2 V wskazuje na utlenienie środowiska

E7 < 0,2 V wskazują na zredukowanie środowiska

Miarę potencjału redoks w środowisku może też stanowić stężenie jonów :


Fe3+ (dominują przez Eh > 0,2 V)

Fe2+(dominują przy Eh < 0,2 V)


Na potencjał redoks wpływa

  • pH zmiana pH p jedną jednostkę powoduje zmianę potencjału redoks o 58 mV

  • Stężenie O2 spadek stężenia tlenu ze 100% do 10% powoduje spadek potencjału redoks o 30 mV


Podział bakterii ze względu na zapotrzebowane na O2

    1. Tlenowe (aeroby) rozwijają się tylko w warunkach tlenowych Eh od + 0,2 do + 0,4 V.
      Przy całkowitym wysyceniu tlenem (100% O2) potencja E7 wynosi 0,5 V

    2. Względne beztlenowce (mikroaerofile) rozwijają się na granicy Eh - …/+…V

    3. Beztlenowe (anaeroby) rozwijaja się przy braku O2 Eh poniżej 0,2 V

Uwaga!! wtedy gdy Eh spadnie poniżej wartości (0,2 V),

      • Niektóre beztlenowce (np. Bakterie redukujące siarczany) mogą rosnąć nawet w obecności tlenu!!

      • Na inne nawet ślady O2 działają silnie toksycznie (np. na archeony metanogenne)

Zależność rozwoju mikroorganizmów od tlenu




Grupa środowiskowa







mikroorganizmy

tlenowe

beztlenowe

wymagania




obligatoryjnie tlenowe

Rosną

Nie rosną

wymagają i wykorzystują do oddychania

mikroaerofile

Rosną

Nie rosną

wymagają O2 przy ciśnieniu < 0.2atm

Fakultatywne tlenowce (fakultatywne beztlenowce)

Rosną

Rosną

nie wymagają, ale wykorzystują jak jest

aerotolerancyjne beztlenowe

Rosną

Rosną

nie wykorzystują i nie wymagają

obligatoryjne beztlenowe

Nie rosną

Rosną

tlen działa toksycznie

Bezwzględne beztlenowce

Niemożność rozwoju przy wysokim potencjale oksydoredukcyjnym wynika z braku mechanizmów ochrony przez toksycznymi rodnikami np:


Rodniki te powstają w wyniku działania światła (lub niektórych enzymów) na tlen.

Bezwzględne beztlenowce nie posiadają:



  • Katalazy

  • Peroksydazy

  • Dysmutazy

Rozkładające toksyczne połączenia
Obrona przed agresywnym tlenem w czasie tzw. stresu tlenowego jedyne bakterie wytwarzają katalazę lub dysmutazę nadtlenkową, a inne nie maja takich zdolności

mikroorganizm

katalaza

dysmutaza

Tlenowce

+

+

Fakultatywne beztlenowce

+

+

Mikroaerofile

-

+

Obligatoryjne beztlenowce

-

-


Bakterie beztlenowe np. bakterie żwacza czy Archaea nie są zdolne do syntezy katalazy czy dysmutazy- enzymów odpowiedzialnych za rozkład toksycznych nadtlenków (silne utleniacze) produkowanych w procesie oddychania tlenowego, dlatego giną od śladowych ilości tlenu
Głębokość a potencjał redoks w środowisku wodnym

Głębokość



Eh > + 300 mV

Bezwzględne tlenowce:

  • wiele bakterii grzybów strzępkowych

  • bakterie nitryfikacyjne

  • Acidithiobacillus

Od +300 do +100 mV

Fakultatywne tlenowce

  • bakterie denitryfikacyjne

  • bakterie redukujące Mn4+

Od +100 do -100 mV

BEZTLENOWCE:

Np. bakterie żelaziste



Od -100 do -200 mV

Np. bakterie redukujące siarczany

Eh < (-) 200 mV

Np. archeony metanogenne

Z
akres pH i Eh w zbiornikach wodnych odpowiedni dla niektórych grup bakterii


Kationy i aniony

  1. W przyrodzie rzadko występują zbyt duże stężenie soli.
    Jednak w ściekach przemysłowych, w wodach kopalnianych jest to zjawisko częste

  2. Sole mineralne w małym stężeniu stymulują wzrost mikroorganizmów a w dużym są toksyczne

  3. Kationy dwuwartościowe są bardziej toksyczne niż jednowartościowe

  4. Sole metali ciężkich są bardziej toksyczne niż lekkich

  5. Sole z kationami należącymi do grupy drugiej są bardziej toksyczne niż pierwszej

Grupa

Zahamowania wzrostu E. coli przy stężeniu




1: K, Na, Li, Sr, Mg, Ca, Ba, Mn, Sn

0,05-2 M




2: Ni, Ti, Zn, C, Fe, Co, Pb, Al., Ce, Cd, Hg

0,00001 – 0,001 M


Aniony

Toksyczność anionów wzrasta w następującym kierunku:

SO4 < Cl < NO3 < SO3 < Fe(CN) < octan < J < H2PO4 < benzoesany < CrO4 < NO2 < F < salicylany < Cr2O7 < TeO3

Salicylany i benzoesany są bardziej toksyczne niż siarczany, chlorki i azotany.


Związki mineralne

  1. Pierwiastki budulcowe:

  • C (47% - 48% w suchej masie)

  • O (30-31 % w suchej masie

  • H (6,5 % w suchej masie)

  • N (8 -10% w suchej masie)

  • oraz P, S, Ca, Mg, K, Fe, Si

  1. Mikroelementy: np. bor, mangan, molibden, miedź, brom, fluor, jod, glin, cynk

  2. Wymagane jony:

  • Fe2+ - b. żelaziste

  • Fe3+ - b. żelazowe

  • NO3- - b. denitryfikacyjne

  • S2- - b. utleniające zw. siarki

  • SO42- - b. redukujące siarczany

  • CO2 – archeony metanogenne

W zbiornikach wodnych zawsze w nadmiarze występują Mg, Ca, K, Na, S, Cl



Pozostałe pierwiastki mogą występować w stężeniach limitujących wzrost

Optymalna proporcja między węglem, azotem i fosforem dla bakterii wynosi około C:N:P=100:10:1



Związki azotowe

Związki azotowe występują w formie:



  1. Wolnego azotu N2

  2. Związków nieorganicznych (NH4+, NO2, NO3-)

  3. Związków organicznych (naturalnych lub zanieczyszczeń)

Wody deszczowe zawierają: 0,3-0,4 mg N- NH4+, NO2, NO3-/l

Wody
mg/l

N-NH4+

N-NO2

N-NO3-

N-org

Czyste

0,1

>0,01

~5

do 0,5

zanieczyszczone

1-3 (..10)

0,2-2

~20

>0,5

Zasoby azotowe wód określa tzw. Azot ogólny:

  • Nieorganiczne zw. azotu

  • Organiczne zw. azotu (rozpuszczalne lub koloidalne)

  • Azot związany w organizmach żywych

Wartość graniczna azotu powyżej której występują zakwity glonów 0,3 mg N/l
Związki fosforu

  1. Związki fosforu występują w bardzo małych stężeniach często - 0,01 mg PO4/l

  2. Zawartość fosforu całkowitego w wodach wynosi 0,022-4,64 mg PO4/l

  3. Związki fosforu występują w postaci:

  • Związków mineralnych

  • Związków organicznych

  1. Stężenie fosforanów rośnie w pionowym profilu jezior wraz z głębokością np.:

Powierzchnia 0,04




Osady denne 1,00 mg PO4/l
Związki organiczne:

  1. Allochtoniczne napływowe dostające się wraz ze ściekami, nawozami, pestycydami stanowią nawet do 30-75% związków organicznych w zbiornikach

  2. Związki organiczne naturalne

    • związki humusowe

      • kwasy humusowe (ciemnobrązowe)

      • fulwokwasy (jasnożółte)

    • produkty metabolizmu organizmów wodnych

    • produkty rozkładu resztek zwierzęcych i roślinnych

Rozpuszczalna materia organiczna (DOM) często limituje rozwój bakterii
Produktywność w wodach świadczy ich trofii

Trofia

mg C/m2/doba

Ultra-oligotroficzne

<50

Oligotroficzne

20-300

Mezotroficzne

250-1000

Eutroficzne

>1000

Hipertroficzne

>5000


μmax, Ks, Ki

Czynniki wpływające na zwycięstwo mikroorganizmów we współzawodnictwie to:



  1. Właściwa szybkość wzrostu (μmax) – miara szybkości wzrostu

  2. Stała nasycenia substratem (Ks) – miara powinowactwa bakterii do substratu: niskie Ks – oznacza duże powinowactwo do substratu

  3. Stała inhibicji (Ki) – miara tolerancji na inhibujące działanie substratu


Stała Michaeli Menten

Szybkość procesu enzymatycznego zależy od łatwości, tworzenia kompleksu enzymów z substratem.

Zależność tę przestawia różnienie matematyczne Michaelisa-Menten, zawierające charakterystyczna dla danego enzymu tzw. stałą Michaelis’a (Km)

Równianie Michaelisa-Menten
Standardowy Wykres

Stałą Michaelis’a (Km) określa stężenie substratu przy którym szybkość reakcji enzymatycznej (V) jest równa połowie szybkości maksymalnej osiąganej przy wysyceniu enzymy substratem i niezależnej już od dlaczego wzrostu jego stężenia
Model Monoda pochodna równania Michaeli i Menten

K
olejny superwykres 


Stała nasycenia substratem Ks wyraża stężenie substratu przy ½ maksymalnej szybkości wzrostu (μmax) jest ona miarą powinowactwa bakterii do substratu.

Niskie wartości Ks wskazująca wysokie powinowactwo do substratów pokarmowych
Ze wzoru Monoda wynika, że gdy:

  1. Substraty (S) znajdują się w nadmiarze to:

    • selekcja mikroorganizmów oparta jest o maksymalną szybkość wzrostu
      max) = zwyciężają mikroorganizmy o wysokich szybkości wzrostu

    • Mikroorganizmy te cechuje niska specyficzność substratowa (wysokie Ks)

  1. Substraty występują w stężeniach limitujących to:

    • selekcja mikroorganizmów oparta jest na zdolności wykorzystywania niskich stężeń substratów
      Mikroorganizm cechuje wysoka specyficzność substratowa (niskie Ks)

    • Mikroorganizmy cechują niskie wartości (μ max)




  • Kiedy ma miejsce zjawisko współzawodnictwa substancje pokarmowe
    Gatunki z niskim wartościami Ks wypierają gatunki o wysokich wartościach Ks

  • Uwaga Maksymalna szybkość wzrostu (μ max) nie jest zależna od substratów pokarmowych, ale jest charakterystyczna determinantą organizmu

/ Wykład 4 – 29/10/2010 ver. 0.9




©absta.pl 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna