Ekologija mikroorganizama

Katedra za mikrobiologiju – dr Dragana Mitić Ćulafić

Ekologija je nauka koja proučava međusobne odnose između organizama i njihove životne sredine.

Termin je nastao od grčkih reči oikos (stanište) i logos (nauka), prvi je definisao i u ovom smislu koristio nemački biolog Ernst Haeckel 1869. god.

Imajući u vidu svu širinu pojma ekologije, dužnost savremenih ekologa je da istraže svojstva životne sredine, utvrde biodiverzitet, kao i brojnost populacija unutar zajednica, determinišu njihovu aktivnost i interakcije kako međusobne tako i u okviru ekosistema u celini.

Oblast istraživanja ekologije mikroorganizama obuhvata proučavanje i analizu odnosa između MO i biotičkih i abiotičkih faktora sredine.

Proučavanje zajednice MO, njihove strukture i aktivnosti, te interakcija sa ostalim ekološkim faktorima, posebno je otežano promenljivošću i kompleksnošću samih MO kao i prostornom i vremenskom varijabilnošću biotičkih i abiotičkih parametara.

Metodologija mikrobioloških analiza predstavlja poseban problem u ekološkim proučavanjima MO.

Tek razvoj adekvatnih metoda, njihova kombinacija i unifikacija te kompatibilnost rezultata omogućavaju kompleksna saznanja o ulozi koju MO imaju u prirodi i razumevanju funkcionisanja ekosistema u celini.

Ekologija MO razvijala se najpre u okviru opšte mikrobiologije, manje u okviru ekologije, da bi, kao posebna oblast, počela intezivnije da se razvija tek početkom 60-ih godina prošlog veka.

Aktuelnost ekologije MO i brz razvoj u ovoj oblasti, poslednjih godina, posledica su podizanja opšte svesti o ekologiji i ulozi koju MO imaju u održavanju visokog nivoa kvaliteta životne sredine.

Izdvajanje ekologije MO kao posebne naučne discipline najpre se baziralo na saznanjima o ključnoj ulozi MO u tokovima materije i energije, a koja se zasniva na njihovim metaboličkim sposobnostima da transformišu različite organske i neorganske supstance.

Danas MO imaju ključnu ulogu u rešavanju nekih akutnih ekoloških i ekonomskih problema sa kojima smo suočeni a to su:

Izbor načina za pravilno odlaganje čvrstog i tečnog otpada,

Nestašica azotnih đubriva, Izdvajanje metala iz ruda nižeg kvaliteta, Biološka kontrola “štetočina”, Proizvodnja hrane, Proizvodnja energije i goriva iz nusproizvoda i

otpadnih materija itd.

Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) – najranija saznanja iz oblasti ekologije MO

Lazzaro Spallanzani 1765 – truljenje je posledica delovanja malih organizama, koji ne nastaju spontano već deobom

Latour, Schwann i Kuntzing oko 1830 svaki ponaosob dolazi do zaključka da živi MO izazivaju alkoholno vrenje, ali nisu mogli da objasne naknadno kvarenje supstrata nakon sterilizacije toplotom

Louis Pasteur (1822-1895) – rešio problem spontane generacije – pokazao prisustvo MO u vazduhu i opisao njihovu ulogu u kvarenju predhodno sterilisanog supstrata

Pasterovi radovi su bili osnova za stvaranje mikrobiologije kao nove naučne discipline

U periodu od 1857 do 1876 Paster je zaključio da je fermentacija rezultat aktivnosti MO

John Tyndall (1820-1893) engleski fizičar koji je uveo metodu frakcione sterilizacije (tindalizacija) i tako rešio problem rezistentnih endospora

Ferdinand Julius Kohn je neposredno pre Tindalovogh otkrića opisao endospore B. subtilis

Robert Koch (1843-1910) razvio jednostavne metode za izolovanje i održavanje čistih kultura MO na čvrstim podlogama

Ser Alexander Fleming je 1929. zapazio pojavu inhibitornog rasta na kulturi Staphylococcus oko slučajnog kontaminanta Penicillium-a

Sergei Winogradsky 1890. uspešno izolovao nitrifikatore i razvio koncept hemoautotrofije, a takođe prvi izvršio nutricionu klasifikaciju zemljišnih MO na autohtone (koji koriste humus) i zimogene (oportune)

Martinus Beijerunck je 1905 rekao da: “način na koji ja pristupam mikrobiologiji se može koncizno izraziti kao istraživanja mikrobijalne ekologije tj. odnosa između ekoloških uslova i posebnih oblika života koji im odgovaraju”.

Kulminacija saznanja iz ekologije MO dovela je do toga da se 1970. unutar Međunarodnog udruženja mikrobioloških društava oformi Međunarodna komisija za ekologiju MO što se smatra formalnim priznavanjem ekologije MO kao koherentne naučne oblasti

Istraživanja u ekološkoj mikrobiologiji

Usmerena u 2 pravca:

- Biodiverzitet mikroorganizama - izolacija, identifikacija i kvanifikaciju mikroorganizama u različitim staništima

- Aktivnost mikroorganizama - aktivnost u različitim staništima.

Oba tipa istraživanja su veoma važna

Određivanje aktivnosti in situ- praćenje efekta fizičkih ili hemijskih agenasa na mikroorganizme.

Studije biodiverziteta, zajedno sa merenjem aktivnosti, - dobijanje kompletne slike mikroorganizama određenog staništa.

Veoma se retko u prirodi nalazi samo jedna vrsta mikroorganizama.

U većini slučajeva postoji zajednica mikroorganizama.

Potreban je odabir metode i procedure za njihovo izolovanje i gajenje.

Kolona Vinogradskog (ekosistem u malom)

Ruski mikrobiolog Sergej Vinogradskij konstruisao je kolonu (1880) za studiranje mikoorganizama zemljišta

Minijaturni anaerobni ekosistem za izolovanje purpurnih i zelenih fototrofnih bakterija i drugih anaeroba

Kolona, stakleni cilindar sa 1/3 organski bogatog mulja sa CaCO3

(pufer) i CaSO4 ( izvor sulfata) i bez vazduha

Nalije se vodom iz jezera, bare ili nekog drugog vodenog staništa i pokrije se folijom

Smešta u blizinu izvora svetlosti (nije direktna) i ostavlja nedelju dana

Veoma dugo izvor svih tipova prokariota koji su uključeni u kruženje elemenata

Kolona Vinogradskog Alge i cijanobakterije – gornji deo

kolone (usled produkcije O2 ovaj deo je aeroban)

Sulfat-redukujuće bakterije - supstrat se dobija fermentacijom materija iz mulja (organske kiseline, alkoholi i H2)

Purpurne i zelene bakterije - prisustvo sulfida omogucava im rast u delu mulja koji je izložen svetlu

Usled različite tolerancije na sulfid:- Purpurne sumporne bakterije se mogu javiti u gornjim slojevima- Zelene sumporne bakterije u donjim slojevima

Uzorkovanje fototrofnih bakterija - uranjanjem tanke pipete u kolonu i uzimanjen obojenog dela mulja ili vode.

Izolovanje čiste kulture iz obogaćene kulture

Išarana ploča Agar šejk tehnika - razređenja

mešovite kulture u epruvetama sa rastopljenim agarom za izolovanje anaeroba (fototrofne sumporne bakterije i sulfat-redukujuće bakterije iz kolone Vinogradskog)

Nekoliko puta ponovljena procedura MPN

MPN tehnika se koristi za grubo određivanje broja mikroorganizama

Optička pinceta

Izolovanje jedne ćelije pomoću laserskih snopova

Provera čiste kulture

Kombinacijom:- mikroskopiranja- karakterisktika kolonija- provere rasta na različitim medijumima, pre svega onim na kojim ne treba da raste

Identifikacija i kvantifikacija

Metoda razređenja i zasejavanja na podlogu po uzorkovanju bakterija iz vode i zemljišta

Samo deo ukupne zajednice može biti određen na ovaj način.

Visoko selektivni medijumi se koriste za određivanje broja specifičnih bakterijaAko se mikroorganizmi ne mogu gajiti u laboratoriji postoje specifične metode (antitela i sekvence nukleinskih kiselina).

Tehnike bojenja

Fluorescentna boja diamidofenilindol – DAPI, boji DNK, koristi se za određivanje ukupnog broja

Akridin oranž boji DNK i RNK, takođe se koristi za određivanje ukupnog broja MO u prirodi, hrani i klinickim izolatima

Kombinacija fluorescentnih boja (viability staining) koje boje žive ćelije (zeleno) i mrtve ćelije (crveno), zasniva se na postojanju intaktne celijske membrane

Fluorescentna antitela

Visoka specifičnost antitela pripremljenih za različite ćelijske strukture određenog mikroorganuzma

Identifikacija i u veoma komplesnom staništu kao što je zemljište npr. Sulfolobus acidocaldarius, ili klinicki izolat

(time cosuming) Genetičkim inženjerstvom

konstruisani mikroorganizmi koji eksprimiraju fluorescentni protein (FGP), za praćenje sudbine introdukovanog mikroorganizma

Fluorescentna in situ hibridizacija - FISH

“Filogenetske boje” su fluorescentni oligonuklotidi komplementarni baznim sekvencama 16S ili 18S rRNK

Ove probe dospevaju u ćeliju i hibridizuju se sa ribozomalnom RNK

Stepen specificnosti ovakvog bojenja je veoma visok

Mogu se identifikovati i kvantifikovati različiti mikroorganizmi u jednom uzorku

Prednosti filogenetskog bojenja

Druge metode hibridizacije

Bojenje hromozoma - florescentno obelezavanje gena, seta gena ili celog hromozoma; prati se organizam u prirodi koji nosi odredene gene.

In situ reverzna transkripcija ISRT – probe se hibridizuju sa iRNK (iz prirodnog uzorka) pa se reverznom transkripcijom sintetise komplementarna DNK. cDNA se umnoži PCR-om i hibridizuje sa fluorescentnim probama - prati se ekspersija gena u uzorku

Bojenje hromozoma: E. coli (crvene) i Oceanospirillum linum (plave)

DAPI nespecifično bojenje (plave)

ISRT specifično obojene ćelije (crvene)

Studije biodiverziteta zajednice mikroorganizama

Ribozomalne RNA probe - informacija o filogenetskom poreklu vrsta.

Klonovi se mogu dobiti: “polymerase chain reaction” (PCR), umnožavaju se rRNA geni, ili indirektno, dobijanjem cDNA reverznom transkripcijom.

Većina filogenetskih analiza mikrobioloških zajednica je pokazala da se sastoje od filogenetski udaljenih mikroorganizama.

Rezultati PCR filogenetske analize

Potkrepljuje se hipoteza da je biodiverzitet zajednice mnogo veći od prvih predpostavki dobijenih na osnovu određivanja broja i vrsta MO kultivacijom u laboratorijskim uslovima.

PCR filogenetske analize sa 16S rRNA su pokazale da postoje velike razlike laboratorijskih kultura i mikroorganizama iz prirode.

Metagenomika - Environmental genomics

Uključuje sekvenciranje i analizu gena svih organizama koji se nalaze u mikrobijalnoj zajednici

Merenje metaboličkih aktivnosti mikroorganizama

Veći broj metoda se koristi za merenje aktivnosti mikroorganizama

Određivanje kolektivne aktivnosti mikrobijalnih zajednica

Važne su negativne kontrole

Radioizotopi

Kombinacija FISH i mikroautoradiografije

Filogenetska proba + korišćenje obeleženog 14CO2 ili glukoze

Identifikacija mo koji vrši određenu metaboličku aktivnost

Autotrof iz grupe gama Proteobakterija

Mešovita kultura E.coli i Herpetosiphon sp.

Mikroelektrode (pH, O2, N2O, CO2, H2, H2S)

Mikroorganizmi su delovi ekosistema, jedinstvenih funkcionalnih celina svih živih organizama i nežive prirode, na jednom ograničenom prostoru. Kao deo biotičke komponente ekosistema, mikroorganizmi su predmet izučavanja ekologije, nauke koja proučava uslovljene odnose organizama i spoljašnje sredine.

Veoma raznovrsni ekosistemi postoje u biosferi, svaki sa određenim spektrom biotičkih i abiotičkih činilaca. Postoje prostorno veliki ekosistemi kao što su mora, jezera, šume, pustinje itd. ali i mali, specifični za mikroorganizme ekosistemi: usna duplja, grumen zemlje, površina lista itd.

Mikroorganizmi, razgrađivači (reducenti), razlažu organske materije izumrlih životinja i biljaka do neorganskih jedinjenja, koje proizvođači ponovo uvode u kruženje materije.

Proizvođači, potrošači i razgrađivači čine lanac ishrane kojim je omogućeno kruženje materije i protok energije, te je jasno da je za održavanje života na zemlji neophodno da se u svakom ekosistemu prisutni članovi svake od pomenutih funkcionalnih grupa.

Količina hemijskih elemenata u biosferi je stalna i limitirana, te je, stoga, neophodno da se biogeni elementi (elementi koji ulaze u sastav živih ćelija) stalno recikliraju, prelaženjem iz jednog oblika u drugi i uspostavljanjem ravnoteže između žive i nežive prirode.

Mikroorganizmi zbog svoje biohemijske aktivnosti, pre svega zbog razlaganja organskih molekula, imaju važnu ulogu u ekosistemima i doprinose održavanju života u biosferi.

Kako su nastajala nova staništa na Zemlji, ona su bila kolonizovana mikroorganizmima koji su bili genetički sposobni da opstanu u tim novim uslovima.

Kroz ovu interakciju genetike i prirodnog okruženja, veliki diverzitet staništa koji postoji na Zemlji je bio selekcioni faktor za veliki diverzitet MO.

MIKROORGANIZMI U PRIRODI Iako su podaci o rasprostranjenosti, broju i

aktivnostima mikroorganizama u prirodi nepotpuni, može se slobodno reći da su mikroorganizmi značajni biotički faktori u svim ekosistemima. Metodologija predstavlja poseban problem u ekološkim proučavanjima mikroorganizama.

Pošto većina mikroorganizama nije vidljiva slobodnim okom, te nije moguće izaći u prirodu i pratitit određeni organizam i njegov odnos sa sredinom, nedostaje niz osnovnih informacija o mikroorganizmima u velikom broju ekosistema.

POPULACIJE MIKROORGANIZAMA U EKOSISTEMIMA I KOMPETICIJA ZA PREŽIVLJAVANJE Mikroskopske dimenzije mikroorganizama

dozvoljavaju veoma intiman kontakt sa spoljašnjom sredinom (velika površina ćelija prema zapremini), te su mikroorganizmi posebno osetljivi na promene činilaca spoljašnje sredine (t°, pH, svetlost, koncentracije organskih i neorganskih jedinjenja, voda, itd.).

Uslovi mikrosredine (sredine koja okružuje ćelije mikroorganizama) su vrlo značajni, npr. za bakteriju koja raste i razmnožava se u grumenu zemlje ova mikrosredina je mnogo važnija od makrosredine (odnosno šume ili polja) u kojoj se grumen nalazi.

Kvalitativni i kvantitativni sastav mikroorganizama u različitim ekosistemima zavisi od niza biotičkih i abiotičkih činilaca. Populacije mikroorganizama variraju od nekoliko stotina ćelija/ml do 109 ili 1010 ćelija/ml. U stabilnim ekosistemima, u nepromenjenim uslovima mikrosredine, broj i vrste mikroorganizama ostaju relativno konstantni.

Veličina populacije je određena nekim od ograničavajućih faktora, najčešće hranljivim sastojcima. Poređenja brzine rasta određenog mikroorganizma u prirodi sa brznom rasta u optimalnim, laboratorijskim uslovima ukazuje na znatne razlike.

Na primer, bakterija E.coli koja raste u crevima sisara podeli se svakih 12 časova (2 ćelijske deobe/24h), a u laboratorijskoj kulturi vreme generacije je 20-30 min. (48 deoba/24h). Ovi podaci pokazuju na to da jedan ili više ograničavajućih faktora produžava vreme generacije mikroorganizama koji rastu u prirodnim uslovima.

Međutim, činjenica da može da raste i da se razmnožava u datoj mikrosredini ukazuje da je ispunjen prvi i osnovni uslov da se specifični mikroorganizam nađe u određenom ekosistemu.

Različite vrste mikroorganizama su sposobne da rastu u istoj sredini (izuzetak su ekstremni uslovi sredine koji omogućavaju preživljavanje samo specijalizovanim vrstma), međutim, usled kompeticije za izvore hrane i energije, dešava se da samo nekoliko, pa čak i samo jedna vrsta mikroorganizma zauzima određenu mikrosredinu.

Niz različitih osobina, pored brzine razmnožavanja, može povećati kompetitivnost jedne vrste u invaziji mikrosredine.

Najvažnije osobine su: visoka tolerancija uslova spoljašnje sredine (vrsta koristi različite supstrate za ishranu, neosetljiva na značajna variranja pH i t° i dr.); sposobnost sinteze toksina ili antibiotika; sposobnost prelaženja u metabolički neaktivna stanja (spore, mikrociste) itd. Bilo koja od navedenih osobina omogućava vrsti uspešnu invaziju datog prostora.

Pored kompeticije, u ekosistemima se javljaju i drugi oblici interakcije između dva ili više organizama.

Primeri različitih interakcija su simbioza ili mutualizam, međusobni odnos dve ili više populacija različitih vrsta, koristi svim učesnicima zajednice; parazitizam, odnos u kome jedna vrsta ima koristi, dok je drugi neoštećen i najzad neutralizam, odnos u kome učesnici zajednice nemaju međusobne ni štete ni koristi.

PROMENE U POPULACIJAMA

Sa promenama uslova u mikrosredini dolazi i do promena u broju i vrstama mikroorganizama koji je naseljavaju. Neke od postojećih populacija se, takođe, mogu adaptirati na nove uslove sredine (sintezom novih, ili prestankom sinteze nekih od svojih enzima).

Osim toga, malobrojni mutanti koji se nalaze u postojećoj populaciji, mogu imati osobine koje im omogućavaju da postanu dominantni u novim uslovima izmenjene sredine.

Pojava mutanata otpornih na antibiotike iliustruje ovakav tip adaptacije: u odsustvu antibiotika mutanti rezistantni na antibiotike su zastupljeni malim brojem jedinki u populaciji, uglavnom zbog svog sporijeg razmnožavanja. Međutim, u prisustvu antibiotika, samo mutanti rezistentni na određeni antibiotik preživljavaju.

Često do drastičnih promena spoljašnje sredine može doći usled rasta i metabolizma mikroorganizma koji je naseljavaju. Ovakve promene mogu dovesti do smenjivanja jedne za drugom različitih populacija čiji se redosled može predvideti sa velikom tačnošću.

Populacije MO koje naseljavaju zajedničko stanište stupaju u složene međusobne odnose i čine vrlo integrisanu i složenu zajednicu MO ili mikrobiocenozu.

Zajednice se formiraju kao rezultat brojnih ekoloških i evolucionih procesa i predstavljaju dinamičan sistem koji se odlikuje specifičnim sastavom i prostornom i vremenskom dinamikom.

Sastav zajednice određuju diverzitet vrsta i brojnost populacija u njoj.

Opstanak i položaj unutar zajednice populacije, najčešće ostavruju: Visokom reproduktivnom sposobnošću ili Fiziološkom adaptacijom na raspoložive resurse i

ekološke faktore u staništu

MO koji imaju visoku reproduktivnu sposobnost preovlađuju u sredinama u kojima izvori nutrijenata nisu ograničeni.

Tako su Microcystis flos-aquae, Anabena flos-aquae i druge Cyanobacteria, u uslovima visokih temperatura i dovoljne količine fosfata i drugih nutrijenata, tokom leta, razmnožavaju veoma brzo izazivajući tzv. “cvetanje vode”.

Metabolizam i reprodukcija brojne populacije je praćena značajnim utroškom nutrijenata; smanjena količina nutrijenata uzrokuje smanjenje rasta ovih populacija do njegovog potpunog zaustavljanja.

Ponovnom akumulacijom odgovarajućeg supstrata u staništu se stvaraju uslovi za obnavljanje populacije.

Kompetitivnu prednost, tokom perioda smanjenog ili zaustavljenog razvića, imaju vrste koje stvaraju brojne rezistentne oblike.

Populacije koje se odlikuju fiziološkom adaptacijom, odlikuju se i većom stabilnošću i uspešno naseljavaju sredine siromašne nutrijentima.

Tako su marinske vrste iz rodova Spirillum i Vibrio i slatkovodne prostekate adaptirane na ekstremno niske koncentracije organske materije što je osnova njihove široke rasprostranjenosti u ovim sredinama.

Zemljišne vreste iz rodova Agrobacterium i Corynebacterium za svoj umereni rast degradiraju humus i kao takvi su česti stanovnici terestičnih ekosistema.

STRUKTURA ZAJEDNICE MIKROORGANIZAMA

Osnovne elemente strukture zajednica MO čine kvalitativni sastav, prostorna i vremenska dinamika, brojni odnos zastupljenih populacija i drugi.

Unutar zejednica MO vremenom pojedine populacije bivaju zamenjene drugim, bolje adaptiranim što doprinosi ekološkoj stabilnosti zajednice u procesima poznatim kao sukcesije.

U osnovi ovih promena nalazi se nepotpunost biogeohemijskih ciklusa kruženja u datoj biocenozi, odnosno zastoj na nekom trofičkom nivou, ali i čitav niz drugih faktora.

Sukcesija zajednice počinje kolonizacijom ili invazijom staništa populacijama MO.

Pionirski MO naseljavaju stanište koje predhodno nije bilo naseljeno u procesu poznatom kao primarna sukcesija.

Lep primer primarnih sukcesija pruža vulkansko ostrvo Krakatoa na kome je proces naseljavanja različitih vrsta MO otpočeo neposredno nakon katastrofalne vulkanske erupcije.

Bakterije mlečnokiselinskog vrenja koje naseljavaju intestinalni trakt novorođenih životinja, su takođe primer primarne sukcesije.

Kada se iz nekog razloga naruše odnosi unutar primarne zejednice dolazi do smene pojedinih populacija i obnavljanja sastava zajednice u procesu poznatom kao sekundarna sukcesija.

U nekim slučajevima pionirski MO menjaju stanište i omogućavaju naseljavanje novih populacija.

Svojom delatnošću aerobni MO stvaraju uslove za razvoj fakultativnih anaeroba u procesu koji je poznat kao autogena sukcesija.

Alogena sukcesija nastaje kao rezultat promene ekoloških faktora koja se dešava nezavisno od aktivnosti MO. Uzroci promena ekoloških faktora mogu biti različiti.

Vulkanske erupcije, požari, antropogeno delovanje itd.

Kao primarna, završna faza u nizu sukcesija formira se klimaks zajednica koja je najbolje prilagodena uslovima i mogućnostima datog staništa.

U odnosu prema spoljašnjoj sredini klimaks zajednica pokazuje visok stepen stabilnosti, odnosno nalazi se u stanju relativne ravnoteže poznate kao homeostaza.

Sa aspekta ekologije MO u prirodi se neprekidno odvijaju različite sukcesivne promene:

- Sukcesija autotrofa i heterotrofa, uslovljena odnosom fotosinteze i respiracije u zajednici, relativno se često dešava u prirodi.

- Autotrofi su često pionirski u staništima sa malo organske materije i dovoljno solarne energije kakve su na primer vulkanske stene.

U ovakvoj autotrofnoj sukcesiji intezitet fotosinteze je veći od inteziteta respiracije što dovodi do akumulacije organske materije u staništu.

Akumulacija dovoljnih količina organske materije omogućava sekundarnu sukcesiju heterotrofa.

Ilustrativan primer su sukcesije MO koje se neprestano dešavaju na glavi čoveka nakon šamponiranja kose.

U ovom slučaju sukcesije izazvane promenom ekoloških faktora (šamponiranjem) ne rezultiraju novom klimaks zajednicom već obnavljanjem originalne

Često do drastičnih promena spoljašnje sredine može doći usled rasta i metabolizma MO koji je naseljavaju na primer nepasterizovano mleko.

Prva dominantna populacija u pomuženom mleku je Streptococcus lactis koji u toku rasta i razmnožavanja fermentiše šećer laktozu iz mleka do mlečne kiseline, što dovodi do snižavanja pH mleka.

Kiselost inhibira rast mnogih MO u mleku ali i rast Streptococcus-a.

Bakterije koje se uspešno razmnožavaju u sredinama visoke kiselosti su Lactobacillus casei i L. bulgaricus koje kao izvor energije koriste preostalu laktozu iz mleka i postaju II dominantna populacija u mleku.

Sa daljim snižavanjem pH sredine, kvasci i plesni postaju III dominantna populacija, koja u toku svog metabolizma koristi mlečnu kiselinu i pretvara je u nekiseli derivat.

Sa povišavanjem pH sredine ipak nije omogućen ponovni rast I i II dominantne populacije, jer je laktoza potpuno utrošena.

Kao izvor energije u mleku ostali su proteini koje efikasno svojom proteolitičkom aktivnošću koriste bakterije roda Bacillus koje postaju IV dominantna populacija.

Krajnji rezultat metaboličke aktivnosti je bistar produkt, neprijatnog mirisa u kome se mogu naći samo neki sporogeni oblici.

• Eutrofizacija – rezultat intezivne urbanizacije, industralizacije i razvoja poljoprivrede• Samoprečišćavanje ili autopurifikacija je proces tokom koga se pod uticajem fizičkih (razblaživanje, taloženje), hemijskih (oksidacija, redukcija, hidroliza) i bioloških procesa kvalitet vode nakon nekog vremena od uliva efluenata poboljšava.• Autopurifikacija voda zagađenih biološki degradibilnim materijama odvija se aktivnošću mikroorganizama a sam proces se odlikuje nizom sukcesija različitih grupa mikroorganizama

Autopurifikacija

Svaka sukcesija se odlikuje prisustvom odredenog oblika azota, kolicine rastvorenog kiseonika, slobodnog CO2, brojem bakterija u 1ml vode, odnosno brojem individua prema broju prisutnih vrsta

Za potpuno procenjivanje procesa, pored zajednica MO, potrebno je sagledati i sastav i dinamiku biocenoze u celini, posebno onih vrsta ili grupa organizama koji imaju karakter bioindikatora

Proces otpočinje povećanjem sadržaja organske materije i povećanjem brojnosti heterotrofnih bakterija.

Broj vrsta se smanjuje tako da su zastupljene vrste sa odgovarajućom fiziološkom aktivnošću u odnosu na prirodu efluenata

Dolazi do naglog pada O2, koji je uzrok nestanka čitave grupe organizama (alge, protozoe)

Količina kiseonika i koncentracija produkata mineralizacije određuje tok sukcesija

Na mestima gde se akumuliraju aminokiseline (produkti razgradnje proteina) često se nalaze Spherotilus natans i neke vrste gljiva. Oni hidrolizuju amninokiseline do NH4 i H2S. Dalja transformacija, ovako nastalih prelaznih produkata mineralizacije, obavlja se aktivnošću nitrifikatora, fosfo-mineralizatora i praćena je akumulacijom mineralnih asimilativa (fosfata i nitrata)

Postepeno se smanjuje brojnost heterotrofnih bakterija a pojavom CO2, kao jednog od krajnjih produkata mineralizacije, povećava populacija fotosintetičkih organizama (Cyanobacteria, algi, biljaka)

Sa uspostavljanjem aerobnih uslova u ekosistemu se obnavlja populacija Cladophora

Uz prisustvo bakterija kao izvora hrane i dalje povećanje količine kiseonika povećava se i brojnost i raznovrsnost Protozoa

Zagađenje vodenog basena toksičnim ili materijama sa inhibitornim delovanjem ili bilo kakvo narušavanje celovitosti procesa doprinosi usporavanju ili potpunom zaustavljanju autopurifikacije

Klasifikacija voda

Imajući u vidu osetljivost mikroorganizama prema promenama stepena trofičnosti utvrđeno je da mikroorganizmi na promene brže reaguju promenom nivoa enzimatske aktivnosti nego brojnosti

Jedan od savremenih sistema za kategorizaciju površinskih voda bazira se na određivanju indeksa fosfatazne aktivnosti vode, koji istovremeno odražava nivo organskog opterećenja i u korelaciji je sa klasičnim indikatorima stanja vode

Mikrobiološki aspekti vode za pice

Higijenski ispravna voda za piće je ona koja odgovara u pogledu mikrobioloških, fizičko-hemijskih i hemijskih osobina a kvalitet pojedinih parametara je propisan Pravilnikom

Najznačjniji zagđivači vode za piće su mikroorganizmi humanog porekla: indikatori fekalnog zagađenja (E.coli i druge fekalne koliforme, S.faecalis, S.faecium, Proteus sp.), sulfitoredukujuće klostridije (C.perfigens)

Voda za piće ne sme da sadrži bakterije iz rodova: Salmonella, Shigella, Vibrio cholere, Yersinia eneterocolitica, Campilobacter jejuni; viruse – adenovirus, enterovirusi, virusi hepatitisa, Rotavirus i dr; niti crevne Protozoa, crevne Helminthes.

Zemljište kao stanište mikroorganizama

Zemljište koje se nalazi kao rastresit površinski sloj zemljine kore, je veoma kompleksna životna sredina koja pruža optimalne uslove za razvoj brojnih MO.

Iz tog razloga su zajednice MO u zemljištu najbrojnije i po broju vrsta i po broju individua te zemljište predstavlja rezervoar MO iz koga oni dospevaju i u druge prirodne sredine u biogeosferi.

Mikroorganizmi u zemljištu

Za direktno posmatranje mikroorganizama iz zemljišta - flurescentni mikroskop i bojenje fluorescentnim bojama

Za posmatranje specifičnih mikroorganizama -fluorescentna antitela ili filogenetske probe

Scaning elektronska mikroskopija -informaciju o morfologiji i broju zemljišnih bakterija.

Zemljište kao stanište mikroorganizama

Zemljište - generalno povoljno stanište za razmnožavanje mikroorganizama

Najveća aktivnost mikroorganizama u površinskim slojevima bogatim organskim supstancama

Dostupnost vode i količina hranljivih materija važni faktori koji određuju aktivnost mikroorganizama

U nekim zemljištima C nije limitirajući faktor već neorganske komponente, fosfor ili azot

Zemljište kao stanište mikroorganizama

Najintenzivniji rast mikroorganizama se odvija na površini partikula zemljišta, obično u rizosferi

Mali agregati zemljišta mogu imati različite mikrouslove tako da više različitih vrsta mikroorganizama može biti prisutno

Zemljišne zajednice Na partikulama zemljišta se

razvijaju mikrokolonije Broj mikroorganizama u

zemljištu je veći od broja u svežim vodama ili morima (106-109 / g).

U zemljištu su virusi, bakterije, gljive, alge i protozoe

Organskih materija ima dosta pa je omogućen rast heterotrofnih MO

Autohtone zajednice mikroorganizama u zemljištu

Sposobne da koriste supstance humusa Spora ali konstantna aktivnost je karakteristika ovih

organizama Većina su gram negativne štapićaste bakterije i aktinomicete

Arthrobacter, Azotobacter, Rhizobium, Myxobacteria: Myxococcus, Chondrococcus, Archangium, Polyangium, Caulobacter, Cellulomonas, Corynebacterium, Streptomyces i Nocardia, Micromonospora, Actinomyces

Zimogene ili oportunističke zajednice u zemljištu

Ne koriste humusne supstance Pokazuju visoki nivo aktivnosti i brzog rasta na

supstratima biljnog i životinjskog porekla Period intenzivne aktivnosti smenjuje period

neaktivnosti Tipične zimogene vrste: Pseudomonas, Bacillus,

Penicillium, Aspergillus i Mucor

Alohtoni mikroorganizmi zemljišta

Humani i animalni patogeni, dospevaju iz vazduha, vode ili u asocijaciji sa biljnim ili životinjskim materijalom, ali se eliminišu brzo

Sa inficiranim biljnim materijalom: Agrobacterium, Corynebacterium, Erwinia, Pseudomonas i Xanthomonas

Patogeni životinja - fekalne streptokoke i Salmonella Endospore i druge rezistentne forme mogu u dormantnom

obliku ostati duže

Mikroorganizmi zemljišta

Važni u biodegradaciji i recikliranju materija Biljni polimeri, celuloza i lignin, recikliraju se uz pomoć

mikroorganizama Azotofiksatori, bilo slobodni ili u asocijaciji sa višim biljkama

su veoma značajni Mikroorganizmi zemljišta imaju ograničenu ulogu u

primarnoj produkciji

Mikroorganizmi u obradivom zemljištu (do 15 cm dubine)

br/g biom g/m3

Prokarioti Bakterije 108 160g/m3

Aktinomicete 105-106 160

Eukarioti Gljive 105 200 Alge 104-105 32 Protozoe 104 38

Bakterije u zemljištu

Obligatni aerobi Fakultativni anaerobi Mikroaerofili Obligatni anaerobi Psihrofili (ledene pustinje) Organizmi koji formiraju endospore Fiksiraju azot Hemolitotrofi

Interakcija biljke-mikroorganizmi

Rizosfera – region u neposrednoj blizini korenova

Ekskrecijom korenova – šećeri, amino kiseline, hormoni, vitamini

Visok broj mikroorganizma –formiranje mikrokolonija na površini korenova

Filosfera – površina listova bogato naseljena u tropskim kišnim šumama

Fiksacija azota u simbiozi sa leguminozama

Interakcija leguminoza i Gram- azotofiksirajućih bakterija

Leguminoze: soja, detelina, pasulj, grašak, itd. Gram- pokretni štapići: Rhizobium,

Azorhizoboum, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium,

Nakon infekcije formiraju se nodule na korenovima u kojima se može vršiti fiksacija atmosferskog azota

Bakterije se deformišu – bakteroidi Bakteroidi se u biljnim ćelijama zaokružuju

membranom- simbiozom Enzim nitrogenaza (protein sa gvožđem i

molibdenom) osetljiv na O2

Leghemoglobin – crvene je boje, nalazi se u aktivnim nodulama i održava O2 na niskom nivou

Bakteroidima biljke obezbeđuju energiju za azotofiksaciju (intermedijeri limunskog ciklusa, sukcinati, malati i fumarati)

Koriste se kao donori elektrona za produkciju ATP-a

Amonijak – prvi stabilni produkt azotofiksacije

Asimiluje se od strane biljke i preveden u amino kiseline (glutamin, asparagin, 4-metil alutamin, alantoin)

Kod tropskih biljaka nodule se mogu formirati na stablu-zemljište je siromašno azotom

Rumen - organ sisara biljojeda (goveda, ovce, koze)

Sisari, kao i većina životinja ne poseduje enzime koji mogu da razlože celulozu, ali je mogu iskoristiti zahvaljujući prisustvu mikroorganizama u svom digestivnom traktu.

Specijalizovane populacije mikroorganizama vrše digestiju celuloze i ostalih biljnih polisaharida.

Rumen je relativno veliki organ (100-150L kod krava; 6L kod ovaca) u koji prvo dospeva hrana.

Visoka konstantna temperatura (39°C), konstantan pH (6,5), i anaerobni uslovi su veoma važni faktori u funkcionisanju rumena koji se može uporediti sa mikrobiološkim hemostatom.

Hrana koja dospeva u rumen meša se sa pljuvačkom koja sadrži bikarbonate.

Peristatilka dovodi do usitnjavanja celuloze u finu suspenziju tako da mikroorganizmi mogu da je metabolišu.

Mikrobiološka fermentacija u rumenu

Hrana ostaje u rumenu 9-12h. Za vreme ovog perioda celulolitičke bakterije i

celulolitičke protozoe hidrolizuju celulozu. Glukoza se fermentiše do masnih kiselina

(sirćetna, propionska, buterna), ugljen dioksida i metana.

Masne kiseline dospevaju u krvotok i predstavljaju glavni izvor energije.

Mikroorganizmi rumena

Pored uloge u razgradnji biljne hrane, mikroorganizmi rumena imaju ulogu u sintezi amino kiselina i vitamina.

Rumen konstantno sadrži veoma veliki broj mikroorganizama (1010-1011 bakterija/ml tečnosti rumena).

Mnoge ćelije mikroorganizama bivaju svarene u gastrointestinalnom traktu i izvor su proteina i vitamina za životinju.

Biohemijski odnosi u rumenu su veoma kompleksni i uključuju kombinovane aktivnosti različitih mikroorganizama.

Dominantna populacija su anaerobne bakterije Više različitih bakterija u rumenu hidrolizuje

polimere kao što je celuloza do šećera i fermentiše šećere do masnih kiselina.

Bakterije rumena

Fibrobacter succinogenes i Ruminococcus albus su dva najbrojnija celulolitička anaeroba koja se nalaze u rumenu.

- Fibrobacter, gram- bakterija koja peri-plazmatičkom celulazom razgrađuje celulozu, tako da mora biti pričvršćena za celulozna vlakna u toku njihove digestije.

- Ruminococcus produkuje veoma velike količine celulaze koja se oslobađa u sadržaj rumena i razgrađuje celulozu van ćelije bakterije.

Ruminobacter amylophilus i Succinomonas amylolitica - ukoliko se životinja prebaci na hranu bogatu skrobom (zrna žitarica) dolazi do povećanog razvoja bakterija sposobnih da razgrađuju skrob,

Lachnospira multiparus - ukoliko se hrane leguminozama koje su bogate pektinom, dolazi do razvoja bakterija koje razlažu pektin.

Neki od produkata fementacije se veoma brzo koriste od strane drugih bakterija:- Sukcinati se konvertuju u propionat i CO2; - Laktat se fermentiše u sirćetnu ili druge kiseline od strane Selenomonas i Megaspaera.

Brojne bakterije rumena kao produkt fermentacije osloba|aju etanol koji može biti fermentiran do acetata i H2.

Metanogene bakterije - H2 koji se produkuje u rumenu veoma se brzo koristi za redukciju CO2 i nastanak CH4..

Drugi izvor H2 i CO2 za metanogene je formijat.

Velika količina CH4 i CO2 se akumulira u rumenu (65% CO2 i 35% CH4).

Dinamika ekosistema rumena

Glavna karakteristika ovog ekosistema je njegova konstantnost.

Različite vrste preživara u različitim delovima sveta poseduju iste glavne grupe bakterijskih vrsta, čije proporcije variraju od ishrane.

Dešava se da promena sastava mikrobiološke zajednice rumena dovede do bolesti ili čak i do smrti životinje.

Dinamika ekosistema rumena

Promena u ishrani, od travnate ka zrnastoj hrani, dovodi do promene broja Streptococcus bovis (od 107 raste na 1010 ćel./ml).

Streptococcus bovis je bakterija mlečno-kiselinskog vrenja, produkuje se velika količina laktata što vodi acidozi rumena i smrti ostale flore.

Da bi se izbegla acidoza, koja može dovesti i do smrti, životinje se polako u toku nekoliko dana prebacuju sa jedne vrste hrane na drugu.

Razvijaju se populacije bakterija koje razgrađuju skrob do masnih kiselina.