Çevre Mikrobiyolojisi

Dr. Erkan Şahinkaya

2007

Ders İçeriği

� Teorik (haftada 3 saat)

� Pratik Uygulamalar (haftada 1 saat)

Teorik Ders İçeriği�Genel Mikrobiyoloji (2 hafta)

� Hücrenin yapısı�Mikroorganizma çeşitleri ve atık arıtımındaki rolleri� Hücre genetik materyal

�Mikrobiyal Metabolizm ve Büyüme (2 hafta)

� Enzim ve enzim kinetiği� Katabolizim ve anabolizim�Mikrobiyal büyüme kinetiği

�Biyojeokimyasal döngülerde mikroorganizmaların rolü (2 hafta)

� Azot döngüsü� Fosfor döngüsü� Sülfür döngüsü

� Atıksularda Patojen ve Parazitler (1 hafta)

� Bakteriyel patojenler� Viral patojenler� Protozoa Parazitleri� Diğer problem yaratan mikroorganizmalar

� Fekal Kontaminasyon tayininde kullanılan indikatör Organizmalar (2 hafta)

� Toplam Koliform� Fekal koliform� Fekal streptokok

� Su ve atıksu dezenfeksiyonu (1 hafta)� Atıksu Arıtım Mikrobiyolojisi (1 hafta)

� Aktif Çamur Biyolojisi� Biyofilm reaktörlerle nütrient giderimi� Aktif çamurda patojen ve parazit giderimi

Teorik Ders İçeriği

Pratik Uygulamalar

1. Mikrobiyoloji Laboratuvarında temel cihazlar2. Medya hazırlama, canlı bakteri sayımı, tek koloni

elde etme metodu3. Zenginleştirme, bulanıklık ölçerek büyüme hızı

belirleme4. Azotobakter izolasyonu5. Dezenfektanların bakteri büyümesine etkileri6. İndikatör organizmalar

1. EMS metodu ile içme suyunda toplam koliform sayımı2. Atıksuda toplam koliformun EMS yöntemiyle sayımı3. Fecal Streptococci sayımı

7. Atıksuların klorla dezenfeksiyonu8. Gram Boyama

Kaynaklar

Ders kitapları

� Gabriel Bitton (1994) “WastewaterMicrobiology” Wiey-Liss, New York.

� Sami Özçelik (1995) “Genel Mikrobiyoloji” Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta

Mikroorganizma: Ancak mikroskopla görülebilen tek hücreli organizmalar. Bakteriler, Funguslar, Algler, Protozoolar ve virüsler.

Protista alemi: Bazı morfolojik özellikleri bakımından bitki ve hayvanlara benzemeyen çoğunlukla tek hücreli canlılar.

� Prokaryotlar (bakteri ve archaea )� Ökaryotlar (Funguslar, protozoalar, algler)

Virüsler bu iki gruba da dahil olmayan zorunlu parazitlerdir.

1. Genel Mikrobiyoloji

Şekil 1. Prokaryotik ve ökaryotik hücre

Farklar

• Ökaryotik hücre daha komplekstir

• ÖH (>5um), PH (1-4um)

• ÖH’de DNA bir zar içerisindedir. PH’deDNA hücre içine yayılmış vaziyettedir.

• ÖH’de organaller zar ile çevrilidir

• PH bölünerek çoğalır, ÖH ise mitoz

• Golgi cihazı, endoplazmik retikulum, mitokondri ve kloroplast PH’debulunmaz.

Tüm prokaryotlarda (mycoplasma hariç) hücre duvarı bulunur. Hayvan hücresinde hücre duvarı bulunmazken, bitki, alg ve fungusta bulunur.

MitozFission bölünmeHücre Bölünmesi

Histon içeren bir çok kromozom

Tek molekülDNA

VaryokNükleer (Çekirdek) zarı

YokBazılarında varEndospor

YokBazılarında varGaz vokuolleri

VaryokEndoplazmikretikulum

VaryokGolgi kompleksi

VarYok (solunum stoplazmamembranında olur)

Mitokondri

VaryokKloroplast

80S70SRibozom

Çift kabakafosfolipid+sterols

Çift tabaka fosfolipidHücre zarı

Hayvan hücresinde yok. Bitki, protoza, alg ve fugus da var.

Mycoplasma hariç bulunur

Hücre duvarı

ÖkaryotProkaryotÖzellik

Prokaryotlar : BakterilerHücre şekillerine göre; kok (coccus), çubuk, sipiral ve virgül şeklinde dörde ayrılır.

Filametli (ipliksi) bakteriler dışında, prokaryotlar ökaryotlardandaha küçüktür. Küçük hücrelerin büyüme hızı daha büyüktür. Çünkü alan/hacim oranı daha büyük olup, besin alımı daha fazla olur.

Stoplazma Zarı:

• Hücrenin ozmotik bariyeri olup, hücreye giren ve çıkan maddeleri kontrol eder.

• Kiyasallar hücreye difüzyon, aktif taşıma ve grup translokasyonu ile girer.

• Yaklaşık 7nm kalınlığında olup, iki tabakalı fosfolipit (fosfolipid bilayer) içerir. Ayrıca, fosfolipitler içine yerleştirilmiş proteinlerde içerir (Şekil 2).

• Kuru madde itibariyle; %50 protein, %25 fosfolipit ve %25 karbonhidrat içerir.

• Ca+2, Mg+2 gibi katyonlar membran (zar) yapısının oluşumuna yardımcı olur.

• Ökaryotlar ve mysoplazma stoplazma zarında steroller içerirler.

Şekil 2. Stoplazma membranının yapısı

Hücreye madde Taşınımı

Stolazma zarı seçici geçirgen olup, her madde kolaylıkla geçemez.

Stoplazma hidrofobik özellikte olup polar maddeler (Pozitif yada negatif yüklü hidrofilik moleküller (organik asit, amino asit, inorganik tuzlar)) kolaylıkla geçemez.

Bazı non-polar yağda çözünen hidrofobik maddeler (yağ asitleri, alkol, bezene gibi) kolaylıla geçebilir.

Su molekülü yüksüz olup kolaylıkla membrandan geçer.

0.0000001K+

0.000001CI-

0.001Glikoz

0.1Gliserol

100Su

GeçirgenlikMadde

Hücreye Madde Taşınım Mekanizmaları

1. Basit veya pasif difüzyon:� Hücre dışındaki konsantrasyon farkından dolayı

gerçekleşir.� Taşıma hızı hücre içi ve dışındaki madde konsantrasyon

farkına bağlıdır. Konsantrasyon eşitleninceye kadar devam eder.

� Zardaki maddelerle reaksiyona girmez. Enerji gerektirmeyen bir işlemdir.

2. Kolaylaştırılmış Difüzyon (Facilitated Diffusion):� Maddelerin membrandan transport proteinler yardımıyla

geçişidir. � Hücre dışında madde konsantrasyonu içeriye nazaran daha

yüksektir. � Taşıma hızı hücre içi ve dışındaki madde konsantrasyon

farkına bağlıdır. � Enerji gerektirmez.

3) Aktif Taşıma:

� Mikroorganizmalar elektrokimyasal ve difüzyon kurallarının aksine bazı maddeleri alarak hücre içinde biriktirir ve konsantrasyonu dış konsantrasyondan daha fazla yapabilir.

� Aktif taşıma stoplazma zarında bulunan ve permeazadı verilen taşıyıcılarla yapılır.

� Metabolik enerji gerektirir.� Bazı şekerler, çoğu amino asitler, organik asitler,

sülfat, fosfat ve potasyum gibi çoğu inorganikler bu yolla taşınır.

� Enerji ATP’den yada proton motive force dan alır.� Proton motive force üretiminde protonları hücre

dışına alabilmek için gerekli enerji, organik ve inorganik maddelerin oksidasyonundan ya da ışık enerjisinden elde edilir.

a) Pasif difüzyon b) Kolaylaştırılmış difüzyon

c) Aktif Tarnsport (taşıma) Proton motive force

Stoplazma

• Yapısında su ve çoğunluğu enzim şeklinde bulunan protein, ribozomlar, RNA, mineral maddeler, polisakarit, yağ bulunur.

• Homojen değildir ve çok sayıda zarla bölünmüştür.

• Devamlı haraket halindedir.

• Stoplazmada 16x18 nm büyüklüğünde 5000-50000 civarında ribozom vardır. Ribozomlar %60 RNA ve %40 protein içerir.

• Bakteri RNA sının %80-85’i ribozomlarda bulunur.

• Ribozomlar, ultra santrifüj ile 70 Svedberg birimindeki çöktürme hızıyla çöktürüldüğünden bunlara 70S parçacıkları denir.

• Ribozomlar proteinlerin sentez yeridir.

Hücre Duvarı

• Mycoplasma hariç bütün bakteriler sahiptir

• Bakteriye şeklini verir, ozmotik basınca karşı korur.

• Yapısında Murein (peptidoglycan) vardır.

• Gram boyama ile hücre duvar yapısına göre bakteriler gram-pozitif veya gram-negatif olarak ikiye ayrılır.

� Peptoglycan tabakası gram pozitif bakterilerde daha kalındır. � Murein e ilave olarak gram-pozitif bakteriler alkol ve fosfat grubu içeren tekhoik (techoic) asit içerir.

� Hayvan hücresi hücre duvarı içermez. Fakat diğer ökaryotlar(bitkiler, funguslar) içerir.

Outer membrane (daha dış) zar

• Gram negatif bakterilerde toksikolabilecek hidrofobik maddelerin geçişi için etkili bir bariyerdir.

• Fakat bazı kimyasallar (EDTA, polikatyons), fiziksel uygulamalar (ısıtma,dondurup eritme) zarın geçirgenliğini arttırabilir.

Kapsül ve Kaygan Tabaka� Bir çok bakteri hücre duvarını saran

hücredışı polimerik maddeler (extracellular polymeric substance(EPS))üretir.

� Bu tabaka esas olarak polisakarit tir.� Bazı bakteriler de bu tabaka bir

kapsül şeklindedir, bazı bakterilerde daha kaygan olup büyüme ortamına dağılabilir.

EPS Çevresel ve medikal uygulamalarda önemlidir;

• Bazı hastalık yapan bakterileri fagositoza karşı korur ve hastalık yapma özelliklerini arttırır.

• EPS sayesinde bakteriler yüzeylere daha kolay yapışır. Dolayısıyla, biyofilm reaktörlerde EPS üretimi avantaj sağlar. Fakat, EPS üretimi nedeniyle şebekelerde bakteri büyümesi gözlenebilir.

• Metallerle kompleksler oluşturarak metal adsorpsiyonunu arttırır.• Aktif çamur sistemlerinde bakterilerin yumak oluşturmasına yardım eder.

Şekil. Klebsiella aerogenes’inoluşturduğu kapsül

Hücrede Hareketlilik

Bakteriler flagella adı verilen kamçıları sayesinde hareket ederler. Kamçı uzunluğu hücrenin birkaç katı olabilir. Bakterilerde kamçıçıkış yeri karakteristik bir özelliktir. Çok farklı şekillerde olabilir;

�Hücrenin tek ucundan bir kamçı (monopolar)�İki ucundan (bipolar)�Her tarafından (Peritrik) (örnek E. Coli)�Bir ucundan çok sayıda (Lofotrik, Pseudomonas)

� Tek kamçılı (monotrik), iki veya daha fazla kamçılı (politrik). Atıksu arıtımında önemli bir bakteri türü olan Pseudomonas monopolar politrik(Lofotrik) grubuna girer.

� Kamçı burgu veya pervane şeklinde dönerek hücreyi bir yöne doğruiter.

� Dönme hızı 3000 devir/dakika’ya kadar çıkabilir ve bakteri hızı 30-200 um/sn arasında olabilir.

� Flagella (kamçı) flagellin adı verilen bir proteinden oluşur.

� Bakteriler hareket ederek besinlere (kemotaxi, chemotaxis), ışığa (fototaxi) veya oksijene (aerotaxi) doğru hareket eder.

� Ekolojik açıdan kemotaxis özelliğine sahip olan bakteriler avantajlıdır.

� Bazı toksik maddeler (metaller ve hidrokarbonlar) kemoreseptör’ü bloke edip kemotaksisi inhibe edebilirler.

� Ökaryotlar, flagella yada stoplazmanın hareketi ile hareket edebilirler.

� Ökaryotlardaki flagella, prokaryotlara nazaran daha karmaşık bir yapıya sahiptir.

Kirpik (Pili veya pilus)

� İnce ve kısa kamçı (flagella) ya benzer.� Uzunluğu 12 um civarındadır.� Hareketli ve hareketsiz bakterilerde bulunur.� Yapısı proteindir. � Hücrelerin yüzeylere, birbirine ve besinlere yapışmasını sağlar.� Bir hücrede en fazla iki adet olan ve daha kalın olan sex pilusları,

konjugasyon sırasında DNA’nın bir hücreden diğerine geçmesini sağlar.

Depo Maddeleri

� Hücre içinde bazı maddeler depolanabilirler. Bu maddeler hücre sentezinde ve enerji üretiminde kullanılır.

� Karbon, glikojen, nişasta, poli-beta-hidroksibütrik asit (PHB), polifosfat depolanabilir.

� Karbon yalnızca prokaryotlarda PHB olarak depolanır. � Filametli (ipliksi) sülfür bakterileri sülfür depolayabilirler. � Organik madde veya besin fazla iken bakteriler bu besinleri

depolarlar. Besin yokluğunda depo ürünleri kullanılır (Şekil).

Şekil. Ardışık Kesikli Aerobik Bir Reaktörde Asetat ve PHB (hücre içi konsantrasyon) konsantrasyonlarının zamanla değişimi

Gaz Vokuollleri

� Cyanobakter, halobakter ve fotosentetik bakterilerde bulunur. � Ökaryotlarda bulunmaz� Gaz vokuolleri gaz ile dolu olup etrafı protein bir membran ile

çevrilidir.� Gaz vokuolü bulunan bakteriler su üzerinde serbesçe yüzebilir ve

bu sayede Cyanobakter ve fotosentetik bakteriler göl ve havuz üzerlerinde birikebilirler.

Endospor

� Bazı bakteriler kötü çevre koşullarına maruz kaldıklarında endosporoluşturur.

� Endospor, soğuk, sıcak, kuraklık ve kimyasal etkilere karşı dayanıklıdır.

� Su atıksu artımında dezenfeksiyona karşı daha dayanıklı olabilir.� Hücredeki yeri değişebilir.

Bakterilerin Sistematiği

� Canlılar ihtiva ettikleri 16S ve 18S ribozomal RNA’ya göre sınıflandırılır. Buna göre canlılar: � Bakteri (bacteria), � Arçi (Archaea) � Ökaryot (Eukarya)

•Milletler arası sisteme göre canlılar latince tür adları ile belirlenir. Bu adlandirma latince iki kelimeden oluşur. İlk kelime büyük harfle başlar (Cins, genus), ikinci kelime (tür, species) adını gösterir.

•Metin içinde tür adları italik yada altı çizili yazılır.

Örnek

•Rhodospirillum : Cins (genus)

•Rhodospirillum rubzum (tür, species)

•Aynı tür içine girip bazı biyokimyasal ve fizyolojik farlılık gösterenlere suş(strain) denir.

o Bakteriler; hava, su, toprak, insan, hayvan v.b. her yerde bulunur.

o Bakteriler ölerek toprağa geçen bitki ve hayvan dokularını parçalayarak Doğadaki madde döngüsüne çok önemli bir katkı yapar.

o Bir çok türü gıdaları bozar ve gıda zehirlenmesine sebep olur.

o E.Coli sıcak kanlıların bağırsağında yaşar.

o Faydalı bakteriler sirke, turşu, yoğurt, peynir, kefir, süt ürünleri üretiminde kullanılır.

o Bazı bakteriler endüstriyel olarak üretilerek aminoasit, vitamin (B12) ve enzim üretiminde kullanılırlar.

Önemli Bakteri Grupları

� Aerobik/Mikroaerofilik Gram Negatif Bakteriler

� Gram Negatif Aerobik Çubuklar ve Koklar

� Bu gruba çevre açısından önemli bakteriler girer (Pseudomonas gibi).

� Toprakta azot bağlayan Azotobacter ve Azomonas� Ayrıca, tıbbi açıdan önemli Brucella bu gruba girer. � Zooglea atıksu arıtma tesislerinde öneli bir bakteri olup, hücre dışı polimerik maddeler (yapışkan bir madde) üreterek, arıtma tesislerinde bakterilerin flok oluşumuna yardım eder.

� Fakültatif anaerobik Gram negatif çubuklar

� E.coli fakültatif anaerobik bir bakteri olup, insan ve sıcak kanlıların bağırsaklarında yaşar. Su ve gıdalarda bulunuşu fekal kirlenmeyi gösterir.

� Salmonella typhi, tifonun; Shigella dysenteria dizanterinin sebebidir.

o Sülfat veya sülfür indirgeyen bakterilerSülfat veya sülfürü elektron alıcısı olarak kullanırlar ve H2S’e dönüştürürler. Elektron kaynağı olarak organik maddeleri veya hidrojeni kullanırlar. Zorunlu anaeroblar olup en bilinen türü Desulfovibrio’dur.

oNocardia: atıksu arıtma tesislerinde köpük oluşumuna neden olur.

oAnoksik fototrofik bakteriler (mor ve yeşil bakteriler)

Bu grup bakteriler ışığı enerji kaynağı olarak kullanırlar ve fotosentez yaparlar. Ancak tepkime sonucu oksijen çıkmaz. Bunlar genel olarak anaerobdur. Göl ve su birikintilerinin dibindeki sedimenlerde bulunur. Fotosentezde su H2S gibi indirgenmiş S bileşikleri kullanılır ve hücrede granül S oluştururlar.

2H2S+CO2 (CH2O) + H2O+ 2S0

� Oksijenik Fototrofik bakteriler

Bu gruba giren Cyanobakteria klorofil-a içeren genelde aerob bir bakteridir. Ancak bazıları anoksijenik fotosentez için indirgenmiş kükürt bileşiklerini kullanabilirler.

� Aerobik kemolitotrofik Bakteriler

Bu gruba giren bakteriler çevre ve ziraat bakımından önemlidir. Ototrof olup, inorganik maddeleri enerji, karbondioksiti karbon kaynağı olarak kullanır.

Nitrifikasyon yapan bakteriler bu gruba girer. Nitrosomonas ve Nitrobacter bakterileri arıtma tesislerinde nitrifikasyonda görev alır.

NH4+ + 3/2O2 NO2

- + 2H+ + H2O (Nitrosomonas )

NO2- + 1/2O2 NO3

- (Nitrobacter )

Thiobacillus ve diğer kükürt oksitleyen bakteriler H2S ve elementel kükürt (S0) gibi bileşikleri sülfat (SO4

-2)’a dönüştürür.

o Archaea

� Bu bakteri grubu morfoloji ve çevre istekleri bakımından diğer bakterileden ayrılır. � En önemli fark, bakterilerin hücre duvarında peptoglikan (peptoglycan yada murein) varken, archae de bulunmaz.

� Bazı archae lerin hücre duvarında peptoglikana benzeyen olisakarit vardır. Bu madde pseudopeptoglycan olarakda adlandırılır. Fakat bu madde ile peptoglycan (murein) aynı değildir.

� Archae RNA polimeraz’ı daha komplex olup, bakteri ve archae’de protein sentezi arasında fark olabilir.

Archae dört gruba ayrılır;

�Metanogenik (CO2’i elektron alıcısı olarak kullanarak organik maddeleri metana dönüştürür)�Sülfat indirgeyenler (sülfatı elektron alıcısı olarak kullanır)�Ekstrem halofilik olanlar (yüksek tuz konsantrasyonlarına dayanıklı)�Ekstrem termofilik olanlar (yüksek sıcaklıklarda yaşayabilirler)

Metanogenik Bakteriler

•Hidrojen ve asetatı metan gazına dönüştürür.

•Oksijen, nitrat ve sülfat yokluğunda organik maddeler bakteriler tarafından Hidrojen ve asetata dönüştürülür. Metanogenik bakterilerde bunları metan üretmek için kullanır.

•Hidrojen metana dönüştürülürken CO2’ elektron alıcısı olarak kullanılır. Cogu zaman organik maddelerin metana oksidasyonu için elektron alıcısı gerekmez.

•Metan çözünmeyen enerji üretimi için değerli bir gazdır. Sera etkisine sebep olabilir ve CO2 den 20 kat daha fazla IR absorblar.

Ökaryotlar

� Funguslar, algler ve protozoalar� Ökaryotlar prokatyorlarda olmayn bazı organellere

sahiptirler. Bu organeller;� Mitokondrium� Kloroplast� Golgi kompleksi� Endoplazmik Retikulum

Ökaryottik mikroorganizmalardan önce bu organeller hakkında bilgi verilecektir.

Ökaryotik organaller

Mitokondrium

� Hücrenin solunum ve ATP üretim merkezidir.

� Dolayısıyla, enerji üretim merkezi denebilir.� İki membran (zar) bulundurur.� Dıştaki membran stoplazma zarının aksine daha geçirgendir (protein kanalları sayesinde). Böylece hücrede üretilen ATP stoplazmaya geçer ve enerji gerektiren reaksiyonlarda kullanılır.

� İçerdeki membran katlanmış bir vaziyette olup, enzim merkezidir. Organiklerin oksidasyonu, ATP oluşumu ve metabolitlerin mitokondriye alınıp atılması için gereken enzimleri içerir.

Kloroplast

• Bitki ve alg (yosun) lerde bulunur• Oldukça büyük olup ışık mikroskobu ile görülür• Klorofilbarındırıp fotosentezin merkezidir.• İki membrandan oluşur. Dıştaki geçirgen olup, içteki membranoldukça az geçirgendir.

• Kloroplast da Calvin döngüsü (cycle) için gereken enzim bulunur.• Calvin döngüsü bir çok reaksiyon içerip, CO2 organik maddeye dönüştürülür.

Golgi kompleksi

• Şekli, ardışık olarak sıralanmış keselere benzer.• Endoplazmik retikulumla bağlantılı olarak vesikül üretmekle görevli bir

organeldir• ER’dan vesiküllerle gelen proteinler burada modifiye edilir, sıralanır ve yeni bir vesikül içerisinde stoplazma membranından geçerek hücre dışına atılır.

• Salgı vesikülleri, farklı hücrelerin ürettikleri farklı biyokimyasal özelliklere sahip maddeleri ihtiva ederler.

• Bu biyokimyasal maddeler hormonda olabilir enzimde olabilir.

• Sindirici enzim içeren vesiküllere ise " Lizozom " adı

Lizozom

• Yaklaşık olarak 0,5 mikron çapındadır. • Lizozomlar, golgi veya endoplazmik retikulum’dan oluşur. • Golgi cihazının olgunlaşma kısmından yani salgı tarafından küçük vesiküller "primer lizozomlar" halinde koparak ayrılan zar vezikülleridir.

• İçlerinde polimerleri parçalayan enzimler bulunur. • Lizozomlar görev yönünden vücudumuzun midesine benzemektedirler. Hücre içindeki büyük molekülleri parçaladığı gibi fotosentez veya pinositoz ile hücreye alınan maddeleri de parçalar.

Endoplazmik retikulum

• Hücre sitoplazması, sentez işlevlerinin yürütülmesinde çok büyük bir önemi olan ve endoplazmik retikulum (ER) denen kanalcıklar ve borucuklarla donatılmıştır

• Kanalcıklar ve borucuklar çekirdek zarının hücre zarına kadar çeşitli şekillerde uzamasıyla meydana gelmiştir

• Kanallar hücre içi madde dağıtımını ve taşınımını, hücrede asidik ve bazik tepkimelerin birbirini etkilemeden bir çeşit odacıklar içinde oluşmasını ve hücrenin mekanik etkilere karşı daha dayanıklı olmasını sağlar.

Granüllü (Tanecikli) endoplazmik retikulum

• Protein sentezi, çoğunluk ER'un borucuk ve kanalcıklarının dış yüzüne bağlanmış ribozomlarda gerçekleştirilir.

• Bu nedenle protein sentezlenen kısımları tanecikli görülür. • Fakat ribozomların ER'a bağlanma zorunluluğu yoktur. • Bakterilerde ER bulunmamasına karşın, ribozomca zengindirler.• ER diğer maddeleri de sentezlemektedir (örneğin, yağ).

Granülsüz (Düz) endoplazmik retikulum

•Daha çok yağ sentezi yapan hücrelerde bulunur. •Kural olarak ribozom içermezler. Fakat düz ER sistem ile granüllü ER sistem arasında belirgin yapısal bir fark yoktur.

Funguslar (mantarlar)

o Ökaryotik ve karbon heterotroflardır.

o Bakterilere kıyasla daha büyük, çok şekilli ve çekirdeğe sahiptirler.

o Bitki ile mavi-yeşil alglerden faklıdır. Çünkü fotosentetikpigmentleri yoktur.

o Tek veya çok hücreli, ipliksi yapı oluşturan organizmalardır.

o Mantarlar hif adı verilen iplikçiklerden meydana gelir. Hif çapı, 0.5-1.0 um dir. Hifler bir araya gelerek mycelium (misel) adı verilen yoğun bir kütle (yapı) oluşturur.

o Mantarlarda morfoloji çok çeşitli ve değişiktir. Örnek; maya, küf, pas, kav mantarı, şapkalı mantar.

o Hiflerdeki bölmeler küçük gözeneklere sahiptir. Basit yapılı mantarların hifleri bölmesiz, yüksek yapılı matarların hifleribölmelidir.

o Misel besinlerin içeri alınmasını sağlar.

o Hücre duvarı yapısında kitin bulunur. Hücrede ER, golgi kompleksi, mitokondri (%80 protein, %20 yağ) bulunur.

� Çoğu mantar zor şartlara dayanıklıdır. Küf mantarı ve mayalar asidik şartlarda yaşar.

� Küf mantarı zorunlu aerob, mayalar fakültatif anaeroborganizmalardır.

� Çoğu saprofit tür 22-30oC’de yaşar, patojen türleri 30-37oC’de yaşar.

� Bazıları 0-4oC’de yaşar ve soğuk hava depolarında ve buzdolabında et, meyve ve sebzeleri bozar.

� Funguslar heterotroftur. Eşeyli yada eşeyşiz ürerler.

� Eşeysiz üreme; bölünme, tomurcuklanma ve sporlaşma şeklinde olur. Ekmek, şarap ve bira yapımında kullanılan Saccharomyces cerevisiae tomurcuklanma ile çoğalır.

� Eşeyli (cinsel) üreme; gamet adı verilen hücrelerin birleşmezi ve sonrada meiose (redüksiyon) bölünme sonucu cinsel sporların meydana gelmesi şeklinde olur.Burada esas olan cinsel bakımdan farklı iki çekirdeğin birleşmesidir.

Fungusların bulunuşu ve önemi

� Küf sporları hemen her yerde bulunur.� Mayalar, şeker ve karbonhidrat bakımından zengin (meyve ve

ürünleri) ortamlarda bulunur.� Parazit mantarlar, bitki, hayvan ve insan üzerinde gelişir.� Kav mantarları ağaç gövdelerinde; şapkalı mantarlar organik

bakımdan zengin yerlerde yaşarlar.� Funguslar, çeşitli maddelerin üretiminde (alkol, enzim, vitamin,

organik asit gibi) kullanılır.� Bir çok fungus organik maddelerin parçalanmasında görev alır.

Fungusların Çevre Mühendisliği açısından önemi

o Funguslar bakteriler ve archae ler ile beraber birincil tüketicilerdir. Organik maddeleri kullanan heterotroflardır.

oBunlar ölü organik maddeleri kullanıp inorganik maddelere dönüştürür ve bu inorganikler tekrar diğer canlılar tarafından kullanılmak üzere çevreye girer.

oBakteriler daha geniş bir metabolik çeşitliliğe sahiptir. Fotosentetikmantar yoktur.

� Bakteriye kıyasla daha az azota ihtiyaç duyar.

� Funguslar, lignoseluloz içeren yaprak, ölü ağaç ve bitkilerin çürütülmesinde rol alır.

� Mantarların topraktaki önemli rollerinden dolayı, organik atık ve arıtma çamurlarının bertarafında önemli rol oynarlar.

� Bakterilerin kullanamadığı bir çok organik maddeyi funguslarparçalayabilmektedir. Örnek; lignin. Lignin; ağaç ve bitki bünyesinde bulunan seluloza bağlanarak bitkiye şekil ve sertlik kazandıran doğal bir organik maddedir.

� Bakteri lignini parçalayamaz çünkü lignini parçalamak için gerekli oxidatif bir enzim olan peroksidaz (peroxidase)’ı üretemez.

� Bu enzim sayesinde bazı funguslar, bakterilerin parçalayamadığı, tehlikeli organik maddeleri de parçalayabilir.

� Yeast (maya) oksijensiz şartlarda fermentasyon yapar ve şekeri alkole dönüştürür. (örnek mısırdan alkol üretimi)

Bu pozitif özelliklerine rağmen funguslar atık arıtımında çok fazla kullanılmamaktadır. Nedenleri;

• Yavaş oldukların için mühendisler için cazip değildir.

• Fungusların atık arıtım potansiyellerini maksimum kullanmak için yollar henüz anlaşılmış değildir.

o Bakteriden daha yavaş büyür, fakat daha kötü şartlarda canlı kalabilir.

o Çoğunlukla yarı kuru (toprak) ortamlarda yaşarlar. Bazıları suluortamlarda da yaşayabilir. Çünkü gerekli suyu havadan ve bulunduğu ortamdan alabilir.

o Küf, yüksek osmotik basıncın olduğu ortamlarda yaşar ve genelde bakterilerin yaşayamadığı pHlarda yaşayabilir.

o PH aralığı 2-9 olup optimum 5.5 dir.o Kısaca, bakterilere kıyasla daha yavaş, daha kuru ve asidik

ortamda yaşar. Sadece yeast (maya) anaerobik şartlara dayanıklıdır.

� Ökaryottur, fotosentez yapar, Klorofil içerir, bazıları basit organikleri de kullanır.

� Cyanabakter prokaryotik bir organizma olup, benzerliklerinden dolayı, mavi- yeşil alg denir

� Bir çok alg mikroskobik boyutta olsa da, bazı deniz algleri oldukça büyük kütleler halinde deniz üstünde yüzer.

� Her yerde bulunur (toprak, göl, deniz). Bazıları kar üzerinde büyür ve kırmızı renktedir. Bazıları 90oC’ye varan sularda gelişir. Bazıları ise çok tuzlu ortamlarda gelişir.

� %50 Karbon, %10 azot, %2 P içerir.

� Bazı algler, mantarlarla ortak büyür ve likenleri oluşturur. Bunlar, kayaların üzerinde büyür.

� Likenlerde; mantar alg için su ve mineral madde sağlar, algde mantarın ihtiyaç duyduğu organik maddeyi güneş enerjisinden üretir.

Algler (yosunlar)

• Algler farklı klorofil tipleri bulundurabilir. Her bir klorofil tipi farklı dalga boylarındaki ışığı absorplar.

• Bütün algler klorofil-a içerir. Bazıları ilave olarak başka klorofiller de içerir ve bu özellik sınıflamada ve tanımlamada kullanılır.

Deniz, tatlı su

2 flagellaNişastaa,cDinaflogellaPyrrophyta

DenizFlagella yokNişasta, yağa,dKırmızıRhodophyta

Deniz2 flagellaKarbonhidrat

a,cKahverengiPhaeophyta

Genelde tatlı su

1,2,3 flagella

Polisakarita,bÖglana(Euglena), hareketli yeşil

Euglenophyta

Deniz, tatlı su, toprak

0-2 flegella, silika kaplı

Yağa,c,esarı, kahverengi diatom

Chrysophyta

Deniz, tatlı su, toprak

0-çok flegalle

Nişastaa,bYeşilChlorophyta

Deniz, tatlı su, toprak

Prokaryot, flagella yok

Nişastaa Mavi-YeşilCyanaphyta

DağılımıYapısıDepo ürünleri

KlorofillerGenel AdıAlg Grubu

� Toprakta gelişerek fiziksel özelliğini iyileştirir ve organik madde kazandırır.

� Agar kırmızı alglerden elde edilir. Peynir, mayonez, puding, jöle, kabartma malzemesi yapımında da kullanılır.

� Algler su kalitesi ve su kirlenmesi kontrolünde büyük öneme sahiptir.

� Fitoplankton olarak da bilinirler ve su yüzeyinde serbestçe yüzebilirler.

� Algler doğal sularda birincil organik madde üreticileridir.

� Algler ışık enerjisini hücrenin organik maddesine dönüştürür ve üretilen algler protozoa ve balıklar için besin kaynağıdır.

� Oksijenik fototrof olup doğal sularda en önemli oksijen kaynaklarıdır.

� Bu özelliğinden dolayı stabilizasyon havuzlarında atıksu arıtımında kullanılır.

� Alglerin besin zincirindeki rolü vazgeçilmez olsa da, atıkların kontrolsüz deşarjı aşırı derece de alg büyümesine yol açar ve algler bir problem haline gelir.

Aşırı Alg büyümesinin (alg patlamasının) neden olduğu sorunlar;

� İçme suyunda kötü tat ve koku� İçme suyu arıtma tesislerinde filtrelerin tıkanması� Göllerin berraklığında azalma� Göl tabanlarında çökme ve birikme� Çürüyen algler oksijen konsantrasyonunu azaltır.� Dolayısıyla, doğal sularda istenen ekosistem için alglerin dengeli

büyümesi zorunludur.

o Algler büyümeleri sırasında, sudan inorganik maddeleri alır ve ortamda kimyasal değişimlere neden olur (pH, alkalinite ve sertlik).

o Sularda alg büyümesini genelde N ve P sınırlar. Diatom ayrıca silikaya (temiz sularda bulunur, tuzlu suda az) ihtiyaç duyar.

o Bazı algler organik madde salgılar ve bakteri büyümesini hızlandırır.

o Bazı algler, balıkları öldürebilecek toksin salgılar.

o Dolayısıyla alglerin doğal sulardaki varlığı, ekosistemi önemli derece de etkiler.

� Algler genelde nötral pH yı sever. Çünkü nötral pH lardainorganik karbon, karbonat ve bikarbonat halindedir.

� Alg CO2i kullandıkça suyun pH’sı artar.

� H2CO3 CH2O+O2

� HCO3-+H2O CH2O+O2+OH-

� Artan pH 8-9’a varabilir. Bu da alge zararlı olabilir.

� Artan pH P’yi çöktürür.

Protozoa� Protozoalar ilkel hayvanlardır.

� Tek hücreli heterotrof ökaryotlardır.Hücre duvarı yoktur.

� Hücreler tek tek bulunur. Sınıflandırılmalarında hareketlilik önemlidir.

� Hücre zarı pellicle adı verilen cilia ya benzeyen koruyucu kıllarla kaplıdır.

� Cilia lılar, cilia yı kullanarak besinleri ağız şeklindeki stostom(cytostome) adı verilen yapıya doğru iter.

� Çoğu aerobik ve bazı anaerobik atıksu arıtım sistemlerinde bulunurlar.

� Büyük bir bakteri büyüklüğündedir (1-600um). Bazıları, çıplak gözle görülebilir (2 mm).

� Eşeyli yada eşeysiz çoğalırlar.

� Eşeysiz çoğalma enine yada boyuna bölünme ile olur. İki oğul hücre meydana gelirse binary fission, çok oğul hücre meydana gelirse multiple fission denir.

� Eşeyli çoğalma silialılarda, iki bireyin çekirdek materyalinin birleşmesi ile olu (konjugasyon)

� Arıtma sistemlerinde bakteriler ve diğer küçük partikül organik maddeler üzerinden beslenirler

� Diğer büyük hayvancıklarda protozoalar üzerinden beslenir.

� Çoğu serbest olarak yaşarken, bazıları parazit olarak yaşar ve diğer canlıların sağladığı nütrientler üzerinden geçinir.

� Bazı parazit protozoalar insanlarda hastalık yapar.

� Biyolojik arıtma sistemlerinde protozanın görevi; partikül maddeleri kullanarak, arıtma çıkışında bulanık olmayan bir su üretmektir.

� Toksik madde varlığında sistemde protozoa bulunmazsa, çıkış suyu bulanık olabilir.

� Optimum pH: 6-8, sıcaklık 35-40oC. Büyük çoğunluğu aerobiktir. Bazı anaerobiklerde bulunur.

hareketsizSporozoa

CiliaSiliatlar, CiliatesCiliopora

FlagellaFlagellatesMastigophora(zooflagellates)

Pseudopodia(yalancıayak)

Amipler, AmoebaSarcodina

Hareket metoduGenel AdıGrup

Farklı Protozoa gruplarının karakteristikleri

Diğer Çok Hücreli Mikroorganizmalar� Mikroskobik hayvanlar atıksu arıtımı için önemlidir.

� Çok hücreli, kesinlikle aerobik olup partikül organik maddeleri ve bakterleri kullanır.

� Mikroskobik ile makroskobik arası canlılardır.

� Suya bulanıklık verecek kadar küçük, hareketleri gözle görülebilecek kadar büyük olabilirler.

� En önemlileri;� Nematotlar� Rotiferler� Crustacea

� Nematotlar en yaygın gruptur.

� Toprak ve doğal sularda bulunur. Parazitik de yaşarlar.

� Nematotlar uzun olup, bir uçta ağzı, diğer uçta anus ü vardır. Aerobik arıtma sistemlerinde yoğun olarak bulunur ve klorlama yapılmazsaalıcı ortama yoğun şekilde verilir.

Nematodes(Nematotlar)

Rotifers (Rotiferler)

Crustacea

Virüsler (Viruses)

� Prokaryot yada ökaryot değildir. Katabolik yada anabolikfonksiyonları yoktur.

� Ancak bir hücre (host hücre) içinde çoğalabilirler.

� Virus bulaşan hücre (host yada infected hücre); bitki, hayvan, bakteri yada alg hücresi olabilir.

� Çok küçüktür (25-350 nm). Ancak Elektron mikroskopuile görülebilir.

� Nükleik asitlerden sadece birine sahiptir (DNA veya RNA)

� Kötü çevre şartlarına ve kimyasal maddelere karşı bakterilerden daha dayanıklıdır.

Virüslerin Yapısı

• Hücre yapısı göstermezler.

• Çekirdek nükleik asitten oluşmuştur ve çekirdeği kapsidadı verilen protein bir kılıf çevreler.

• Kapsidi oluşturan parçacıklara kapsomer denir.

• Merkezde DNA veya RNA bulunur.

• Nükleik asit ve kapsid beraber nükleokopsid olarak adlandırılır.

• Bir çok virus ayıca protein veya yağlardan oluşan kılıfa sahiptir.

• Olgu infeksiyon yapabilen virus parçacığına viron denir.

• Virüs konakçı hücrede çoğalır ve onu öldürür sonra bitişik hücreye geçer. Dolayısıyla, virus bulaşmış bir yaprakta lekeler oluşturur.

Viruslerin SınıflandırılmadıVirüsler viroz adı verilen tehlikeli ve yaygın hastalıkların seebidir. İnsanlardaki önemli virüs hastalıkları: çiçek, suçiçeği, çocuk felci, kızamık, kuduz, AIDS ve grip.

HAYVAN VİRÜSLERİ

RETROVİRÜSLERRNA içerirler. Bu virüsler reverse transcriptase (ters yazılım) adı verilen enzim üret,r. Bu enzim, RNA yı iki sarmallı DNA ya dönüştürür ve host hücre içerisine bu DNA yı yerleştirerek virus çoğalımını kontrol eder ve insanın bağışıklık sistemini çökeltir. En önemli çeşidi, human immunodeficiency virus (HIV) olup, Aquired immunodeficiency syndrome (AIDS) hastalığına sebep olur.

ALG Virüsleri

FAJ VE BAKTERİYOFAJ

� Bakterileri infekte eder. � Genelde DNA içerir� Baş, boyun, kuyruk tutunma tablasından oluşur.

Virüslerin ÇoğalmasıVirüs ancak insan, hayvan, bitki ve mikroorganizma canlı

hücrelerinde çoğalabilirler. Obligat hücre parazitidir. Çoğalması için konukçu hücrenin hammaddesini ve enerjisini kullanır.Çoğalma aşağıdaki adımlarla gerçekleşir:

1. Adsorpsiyon: Virüs konukçu hücreye önce adsorbe olur. 2. Penetrasyon: Komple virüs yadda sadece nükleik asit

konukcu hücreye geçer. Bakteriyofajlar sadece nükleikasitlerini içeri injekte eder. Hayvan virüsleri ise komple olarak konakçı hücreye geçer.

3. Çoğalma: Coli-faj T2’de penetrasyondan sonra fajnükleik asidi ve baş proteini sentezlenir.

4. Agregasyon ve Maturasyon: Çoğalan yada sentezlenen kısımların birleşmesi.

5. Olgunlaşan vironların hücre dışına yayılımı

HÜCRELERİN BESİNSEL GEREKSİNİMLERİ

o Her organizma, enerji üretebilmesi ve hücresel biyosentez yapabilmesi için gerekli olan tüm maddeleri çevresinde bulabilmelidir. Bakteriyal büyüme için kullanılan kimyasal maddeler ve elementler besinler (nutrients) olarak ifade edilir.

o Laboratuvarlarda bakterilerin büyümesi için gerekli besinleri çözelti halinde içeren kültür ortamlarıkullanılır.

2. MİKROORGANİZMALARIN BESLENMESİ VE ÇEVRESEL KOŞULLARIN BÜYÜMEYE ETKİSİ

Önemli Elementler, Kaynakları ve Bakteri Hücresindeki İşlevleri

Sitokromlar ve bazı nonhemedemir proteinlerinin bileşeni

ve bazı enzimatik reaksiyonlar için kofaktör

Demir tuzları0.2

Demir

İnorganik hücresel katyon, bazıenzimler için kofaktör ve endosporların bir bileşeni

Kalsiyum tuzları0.5Kalsiyum

İnorganik hücresel katyon ve bazıenzimatik reaksiyonlar için

kofaktörMagnezyum tuzları0.5

Magnezyum

Hücresel inorganik katyon ve bazıenzimler için kofaktör

Potasyum tuzları1Potasyum

Sistein, methionin, glutathion, birkaç koenzimin öğesi

SO4, H2S, So, organik sülfür bileşikleri1Kükürt

Nükleik asit, nükleotid, fosfolipid, LPS, teikoik asitlerin öğesiOrganik fosfatlar (PO4)3Fosfor

Organik bileşikler ve hücre suyunun esas öğesiH2O, organik bileşikler, H28Hidrojen

Amino asit, nükleik asit, nükleotid ve koenzimlerin öğesi

NH3, NO3, organik bileşikler, N2

14Azot

Hücre materyal ve suyunun öğesi; O2 aerobik solunumdaki elektron akseptörü

H2O, organik bileşikler, CO2, ve O2

20Oksijen

Hücresel materyalin esas öğesiOrganik bileşikler ya da CO250Karbon

İşlevi Kaynak % kuru ağırlık

Element

İZ ELEMENTLER

� Belirlenmesi zor olan bazı hücreler için çok az miktarlarda gereken metal iyonlarıdır ve besiyerine ilave edilmesine gerek duyulmaz.

� Enzimatik reaksiyonlarda kofaktör olarak iş görürler.

� Mn, Co, Zn, Cu ve Mo� Bir organizma için iz element olan bir metal iyonu

bir başka organizma için önemli bir element olabilir.

KARBON VE ENERJİ KAYNAKLARI

Tüm canlı organizmalar � Enerji kaynağı� Karbon kaynağı� Diğer besinlere gereksinim duyar.

Prokaryotlarda önemli beslenme şekilleri

Çoğu Bakteriler ve bazı Arke ler

Organik bileşikler

Organik bileşikler

Kemoheterotroflar ya da

Heterotroflar

Birkaç Bakteri ve pek çok Arke

CO2H2, NH3, NO2, H2S gibi

İnorganik bileşikler

Kemoototroflarya da

Litotroflar

Bazı Mor ve Yeşil Bakteriler

Organik bileşikler

IşıkFotoheterotrof-lar

Siyanobakteriler, bazı Mor ve

yeşil bakteriler

CO2IşıkFotoototroflar

ÖrneklerKarbon kaynağı

Enerji kaynağı

Beslenme şekli

Büyüme faktörleri

� Pürin ve pirimidinler� Aminoasitler� Vitaminler

Bazı Bakterilerin Beslenmesinde Gerekli Olan Yaygın Vitaminler

Elektron transport işlemleriQuinonlar ve naftoquinonlaeVitamin K

Metil gruplarının transferiAdenin nükleosit ile birleş mişkobalemin

Vitamin B12

Ketoasitlerin dekarboksilasyonu ve transaminaz reaksiyonları

Tiamin profosfat (TPP)Tiamin (B1)

Oksidoredü ksiyon reaksiyonlarıFMN (Flavinmononükleotid) ve FAD (Flavindinükleotid)

Riboflavin (B2)

Transaminasyon, deaminasyon, dekarboksilasyon ve aminoasitlerin

rasemasyonu

Pridoksal fosfatPridoksin (B6)

Metabolizmadaki keto asit ve açil grup taşıyıcılarının oksidasyonu

Koenzim A ve açil taşıyıcı protein (ACP)

Pantotenik asit

Dehidrogenasyon reaksiyonlarında elektron taşıyıcısı.

NAD (Nikotinamid adenin dinükleotid) ve NADP

Nikotinik asit

Metanojenler tarafından metan üretimiKoenzim MMetkaptoetansülfonik asit

Ketoasitlerin oksidasyonunda açilgruplarının transferi

LipoamidLipoik asit

Karbondioksit fiksasyonu gereken biyosentetik reaksiyonlar

BiotinBiotin

Bir karbonlu birimlerin transferi ve timin, pürin bazları, serin, metionin ve pantotenatın sentezi için gerekli.

TetrahidrofolatFolik asit

Folik asit biyosentez prekürsör.-p-aminobenzoikasit(PABA)

İŞLEVİKOENZİM ŞEKLİVİTAMİN

Kültür ortamları

� Farkı amaçlar ve kullanımlar için geliştirilmiş çok sayıda kültür ortamları vardır.

� İzolasyon� Saf kültür muhafazası� İdentifikasyon� Katı, yarı katı ve sıvı ortamlar� Agar (katılaştırıcı ajan, inert, 100 °C’de erir, 40

°C’de katılaşmaya başlar.

Kültür ortam çeşitleri

� Sentetik (tanımlanmış)� Kompleks (tanımlanmamış)� Seçici ortam� Ayırt edici ortam� Zenginleştirme ortamı

Bacillus megatarum’ un büyümesi için minimal ortam. Heterotrofik bir bakterinin büyümesi için kimyasal olarak tanımlanmış bir ortam örneği

pH 7.0

985 mlSu

Mn++ kaynağı0.007 gMnSO47H2O

Fe++ kaynağı0.01 gFeSO4 7H2O

S ve Mg++ kaynağı0.20 gMgSO47H2O

pH tamponu; N ve P kaynağı1.0 g(NH4)2HPO4

pH tamponu; P ve K kaynağı2.5 gKH2PO4

pH tamponu; P ve K kaynağı2.5 gK2HPO4

C ve energi kaynağı10.0 gSukroz

Bileşenin FonksiyonuMiktarBileşen

pH 3.0

1000 mlSu

C kaynağı5%*CO2

Enerji kaynağı1.56 gElemental Sulfur

Ca++ kaynağı0.07 gCaCl2 2H2O

S ve Mg++ kaynağı0.25 gMgSO4 7H2O

P ve K kaynağı0.28 gKH2PO4

N kaynağı0.52 gNH4Cl

Bileşenin fonksiyonuMiktar Bileşen

Litoototrofik bir bakteri olan Thiobacillusthiooxidans’ ın büyümesi çin tanımlanmış bir ortam (aynı zamnda bir zenginleştirme ortamı)

pH 7.4

1000 mlSu

Halofilik ve nonhalofilikler için inhibitör Na+ kaynağı250 gNaCl

Fe++ kaynağı0.023 gFeCl2

S ve Mg++ kaynağı20.0 gMgSO4 7 H2OK+ kaynağı2.0 gKCl

C ve enerji kaynağı3.0 gTrisodium citrate

Büyüme faktörlerinin kaynağı10.0 gYeast extract

Amino asit, N, S, ve P kaynağı7.5 gKasamino asit

Bileşen FonksiyonuMiktar Bileşen

Ekstrem halofillerin büyümesi için seçici zenginleştirme ortamı

Fiziksel ve çevresel gereksinimler

� Oksijen� pH� Sıcaklık� Su aktivitesi

Mikroorganizmaların Oksijen İsteklerini Tanımlamada Kullanılan Terimler

Gerekli değil, kullanılmaz

Büyür Büyür AerotolerantAnaerob

Büyüme için gerekli değil, fakat var olduğunda kullanır

Büyür Büyür FakültatifAnaerob(Fakültatif Aerob)

Büyümeye toksikBüyümez Obligat Anaerob

Gerekli fakat 0,2 atm nin altındaki seviyelerde

Büyümez Çok yüksek değilse büyür

Mikroaerofil

Gerekli (aerobik solunumda kullanılır)

Büyümez Büyür Obligat Aerob

O2 etkisiAnaerobikAerobikGrup

Çevre

Büyüme üzerine pH’ ın etkisi

10.07.6-8.66.6Nitrobacter sp

8.37.86.5Streptococcuspneumoniae

9.07.05.7Thiobacillus novellus

8.06.6-7.05.6Pseudomonasaeruginosa

9.37.15.6Erwinia caratovora

8.5-9.06.0-7.65.0-5.8Clostridiumsporogenes

9.06.0-7.04.4Escherichia coli

9.37.0-7.54.2Staphylococcusaureus

6.85.8-6.64.0-4.6Lactobacillusacidophilus

7.55.5-6.03.5Zymomonas lindneri

6.04.02.0Bacillusacidocaldarius

5.02.0-3.01.0Sulfolobusacidocaldarius

4.0-6.02.0-2.80.5Thiobacillusthiooxidans

MaximumpH

Optimum pH

Minimum pHOrganizma

Atıksu arıtımında organik madde gideren bakteriler ve Nitrifikasyon yapan bakteriler pH6-8 aralıgındayasar ve 6.5-7.5 aralıgındaoptimumdur.

Büyüme üzerine sıcaklığın etkisi

Among all thermophiles is wide variation in optimum and maximum T

Above 100 (boiling)50-8545Thermophile

Most bacteria esp. those living in associationwith warm-blooded animalsBelow 4530-4010-15Mesophile

Able to grow at low T but prefer moderate TAbove 2515-300Psychrotroph

Grow best at relatively low TBelow 2010-15Below 0Psychrophile

CommentsMaximumOptimumMinimumGroup

Bazı Bakteriler ve Arkenın Büyümesi İçin Minimum, Maksimum Ve Optimum Sıcaklık Değerleri

115102-10580Pyrobacterium brockii9075-8570Sulfolobus acidocaldarius908560Methanococcus jannaschii7970-7240Thermus aquaticus726030Bacillus flavothermus423725Streptococcus pneumoniae403720Streptococcus pyogenes373519Clostridium kluyveri453710Escherichia coli4530-3710Staphylococcus aureus4225-305Thiobacillus novellus41354Pseudomonas maltophilia30154Vibrio marinus4530-371Listeria monocytogenesMaksimum Optimum Minimum Bakteri

Büyüme sıcaklıkları (oC)

Bazı prokaryotların optimum büyüme sıcaklıkları

100Pyrococcus furiosus

72Bacillus caldolyticus

70Thermus aquaticus

59Thermoplasma acidophilum

37Treponema pallidum

37Streptococcus pyogenes

37Pseudomonas aeruginosa

37Mycobacterium tuberculosis

37Escherichia coli

30-37Staphylococcus aureus

27-30Erwinia amylovora

25-30Pseudomonas fluorescens

25-30Rhodobacter sphaeroides

25Streptomyces griseus

20Rhizobium leguminosarum

20Photobacterium phosphoreum

18-37Vibrio cholerae

Optimal büyüme sıcaklığı (oC)Genus and species

711010085Methanopyrus

611310582Pyrodictium

6-7888360Methanothermus

6938560Desulfurococcus

2-38775-8555Sulfolobus

Opt. pHMak. Opt.Min.Genus

Büyüme sıcaklığı(oC)

Hipertermofilik arke

Nemin Etkisio Organik ve inorganik maddelerin hücreye alınması için gereklidir.

o Maya ve küf mantarları bakterilere kıyasla daha az suya ihtiaç duyar

o Genel olarak su muhtevası %15 den fazla olan ortamlarda mikroorganizmalar gelişir.

o Nem miktarından ziyade kullanılabilir su önemli olup, kullanılabilir suyun ölçü birimi su aktivitesi (aw) dir.

Aw = P/Po P, Po : Sırasıyla, ortamdaki suyun ve safsuyun buharbasıncı

0.60Ozmofil mayalar

0.75Halofil bakteriler

0.80Küf Mantarları

0.88Mayalar

0.91Bakteriler

Minimum su aktivitesi, awMikroorganizma grubu

Nemin Bakteri Büyümesine Etkisi

Bakteriyal Populasyonlarda Büyüme

� Büyüme nedir?

� Hücre kütlesi ve ribozom sayısında artış, � Bakteriyal kromozomun duplikasyonu, � yeni hücre çeperi ve membranının sentezi, � iki kromozomun ayrılması, bölme oluşumu ve hücre bölünmesi; İkiye bölünme (binary fission)

� Hücre sayısındaki artış� Yeni hücre oluşumu

İkiye bölünerek bakteriyal büyüme

Hücre Kütlesini Ölçüm Yöntemleri

� Doğrudan fiziksel ölçüm

� Kuru ağırlık� Yaş ağırlık� Hücrelerin hacmi (santrifüj sonrası)

� Doğrudan kimyasal ölçüm; toplam N, toplam protein ve toplam DNA içeriği gibi

� Kimyasal aktivitenin dolaylı ölçümü; O2 ya da CO2 nin tüketim ve üretimi

� Bulanıklılık ölçümleri

Hücre Sayısını Ölçüm Yöntemleri

� Doğrudan mikroskobik sayımÖzel lamlar kullanılır. (>107 hücre/ml)

� Dolaylı canlı sayım (kültürel sayım, plakta sayım). Colony forming unit (cfu)

Dolaylı canlı sayımın avantaj ve dezavantajları

� Hassas oluşu bir üstünlüktür.

� Dezavantajları

1. sadece canlı hücreler gelişir2. Grup ya da zincir halindeki hücreler tek bir

koloni olarak sayılır3. Kültür şartlarına uygun organizmalar gelişir

Bakteriyal büyümenin ölçüldüğü bazı yöntemler

Toplam N ve P den daha kolay ve daha hassasstır. En yaygın kullanılan kuru ağırlık ölçümüdür.

Bir kültürde toplam bakteri üret,m veriminin incelenmesinde kullanılabilir

Kuru yada ıslak ağırlığın ölçümü yada santrifüjden sonra mikroorganizma hacmi ölçümü

Biyokimyasal akticite ile hücre kütlesini ilişkilendirecek sabir bir standart gerekli

Mikrobiyal deneylerdeBiyokimyasal aktivitenin ölçümü O2 alımı, CO2 üretimi, ATP üretimi

Sadece araştırma laboratuvarları için uygun

Yoğun kültürlerde bakteri üretimini incelemekToplam N yada P ölçümü

Hızlı, ucuz, bakterilere zarar vermeden ölçüm

Yoğun bakterilerin renksiz sıvı yada broth içinde ölçümü

Bulanıklık Ölçümü

Koşullar uygun ise oldukça hassas

Süt, besin, toprak ve laboratuvarkültürlerinde

Canlı hücre sayımı (koloni sayımı)

Canlı ve cansız bakterileri ayıramaz

Süt içinde yada az kirli atıksulardaDirek Mikroskop ile sayım

YorumUygulamaMetot

Nutrient agar petrisinde büyüyen bakteriyal koloniler.Hans Knoll Institute. Jena, Germany.

3. MİKROBİYAL METABOLİZM VE BÜYÜME

Enzim ve Enzim Kinetiği

o Enzimler protein katalizörlerdir.o Ticari olarak satılan enzimler; besin, deterjan, medikal

ve tekstil endüstrilerinde yaygın kullanılır, fakat atıksu arıtımında daha az kullanılır

o Enzimler reaksiyonlarda kullanıldıktan sonra yapısal olarak değişmez ve defalarca kullanılabilir.

o Enzimler, aktivasyon enerjisini düşürür ve biyokimyasal reaksiyonların hızını arttırır.

o Enzimler, hücre içi veya hücre dışı olabilir ve substrat spesifiktir.

o Bazı protein olmayan gruplar veya Kofaktörlerenzimlerin aktif hale gelmesi için gereklidir.

o Bunlar; Kofaktörler (NAD, Koenzim a, FAD) ve metalik aktivatörler (K, Mg, Fe, Co, Cu, Zn, Mn, Mo).

o Koenzimler genellikle küçük molekülleri bir enzimden diğerine taşımakla görevlidir.

o Mesela NAD, FAD hidrojen taşırlar.o Enzimler altı gruba ayrılır;

o Oksidoreduktazlaro Transferazlaro Hidrolazlar (B-galactosidase: laktozu glikoz ve galaktozahidrolize eder

o Isomerazlaro Lizazlar (Lyases)o Ligazlar (ATP kullanarak iki molekülün birleştirilmesinde kullanılır.)

� Mikroorganizmalar yüzlerce enzim üretir

� Bakteriler değişen substrat ve çevre koşularına göre enzim üretimini düzenler.

� Her bakteri her enzimi üretemez ve enzime gerek duyulduğunda üretilir ve enzime ihtiyaç duyulmadığında üretim durdurulur. Bu düzenleme önemlidir.

� İhtiyaç duyulmayan enzim parçalanır

� Bazen enzim reaksiyonlarından oluşan ara üründen kaynakalanan inhibisyona ürün inhibisyonu denir.

Enzim Kinetiği� Enzim aktivitesini etkileye şartlar;

� Substrat konsantrasyonu� pH� Sıcaklık� İyon miktarı� Toksik madde varlığı

o Düşük substrat konsantrasyonlarında, enzimatik reaksiyon hızı, substrat konsantrasyonu ile 1.dereceden ilişkilidir.

o Yüksek substrat konsantrasyonlarında ise, enzimatikreaksiyon hızı bir plato ya erişir ve substrat konsantrasyonu ile sıfırıncı dereceden ilişkilidir.

o Enzimatik reaksiyon hızı ile substrat konsantrasyonu arasındaki ilişki Michaelis-Menten denklemi ile verilir.

V, Vmax= Sırasıyla, Reaksiyon hızı ve maksimum reaksiyon hızı (mg/L.h)

S= substrat konsantrasyonu (mg/L)

Ks= Yarı hız sabiti (mg/L)

İnhibitörlerin Enzim Aktivitesi Üzerine Etkileri

� Evsel ve endüstriyel atıksularda bir çok toksikmadde bulunur.

� Bu toksik maddeler enzim reaksiyonlarının aktivitelerini (hızlarını) düşürür.

� Dört çeşit enzim inhibitörü vardır;

� Competitive (yarışçıl)� Noncompetitive� Uncompetitive� Kendi Kendini (Self) inhibisyon

Competitive (Yarışçıl) İnhibisyon

� Inhibitör (I) ve Substrat (S), enzim üzerindeki aynı reaktif bölge için yarışır.

Linewearver-Burke Denklemi (Doğrusallaştırılmış denklem)

Competitive inhibisyonda, Vmax etkilenmez sadece Km etkilenerek (1+I/Ki) kadar değeri artar. Eğer S konsantrasyonu yeteri kadar arttırılırsa maksimum enzim reaksiyon hızına erişilebilir.

Km (1+I/Ki) = Kmgözl

veya

Noncompetitive(Yarışçıl olmayan) İnhibisyon

� İnhibitör I hem enzime E’ye hem de ES kompleksine bağlanabilir. Dolayısıyla sadece Vmax azalır fakat Km değişmez

Metal iyonlar noncompetitive inhibisyonasebep olabilir. Substrat konsantrasyonunu arttırmakla Vmax değerine ulaşılamaz

Vmaxgözl = Vmax/(1+I/Ki)

Uncompetitive (Karışık) İnhibisyon

İnhibitör Enzim-substrat kompleksine bağlanır. Fakat, serbest enzime bağlanmaz. Bu nedenle hem Km hem de Vmax olumsuz etkilenir

α][][max

SKSVV

m +=

][)/(])[max/(

SKSVV

m +=

αα

][)(][)( max

SKSV

Vgözm

göz

+=

)/][1( iKI+=α

Kendini Kendini İnhibisyon

� Toksik maddeler yüksek konsantrasyonlarda enzim aktivitesini düşürebilirler.

� Bu maddelerin dönüşüm hızları Haldane denklemi ile verilir.

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100

Substrat (mg/L)

V(mg/l.saat)

2max

is K

SSK

SVV++

=

Örnek:Yapılan bir deneyde substrat konsantrasyonu ile reaksiyon hızı arasındaki değişim incelenmiştir. Verilenleri kullanarak Michelis-Menten denklemi için Vmax ve Km’ihesaplayın

4.210

3.65

3.13.3

2.52

Reaksiyon hızı (mmol/L/dakika)

Substrat (mM)

0.20.14.210

0.30.23.65

0.30.33.13.3

0.40.52.52

1/V1/SVS

y = 0.4062x + 0.1976R2 = 0.9996

00.10.20.30.40.5

0 0.2 0.4 0.61/S

1/V

1976.0/1 max =V dakLmmolV //5max =

4062.0/ max =VKmmmolKm 2=

Ödev: Yapılan bir deneyde, farklı substrat konsantrasyonlarında bulunan hızlar aşağıdaki gibidir. Vmax ve Km değerlerini hesaplayın

0.60.1

0.90.1

1.10.2

1.30.4

1.40.6

V (mg/L/saat)S (mg/L)

1.6200.60.1

1.1100.90.1

0.951.10.2

0.82.51.30.4

0.71.71.40.6

1/V1/SVS

y = 0.0512x + 0.6231R2 = 0.9999

00.51

1.5

0 5 10 151/S

1/V

LmgKsaatLmgV

V

m /082.0//6.1

6231.0/1

max

max

===

ÖrnekMikroorganizmalar kullanılarak fenol arıtımı çalışılmış ve farklı fenol konsantrasyonlarında enzim aktivitesi ölçülmüştür. Ortama 0.2mM 4-klorofenol eklendiğinde reaksiyon hızlarının aşağıdaki şekilde düştüğü belirlenmiştir. Buna göre inhibisyonlu ve inhibisyonsuzdurumda Vmax, Km değerlerini bulun. İnhibisyon çeşidine karar vererek inhibisyon katsayısını (Ki)hesaplayın.

0.040.070.040

0.050.100.066

0.070.120.098

0.110.160.31

0.150.180.4

0.180.20.71

Voi(mM/L/dak)

Vo(mM/L/dak)

S, mM

İnhibisyonsuz

y = 0.378x + 4.6155R2 = 0.9938

0

5

10

15

0 10 20 301/S

1/V

mMolKdakLmMolV

m 082.0//22.0max

==

14.28625.0000.0700.040

10.00015.1520.1000.066

8.33310.2040.1200.098

6.2503.2260.1600.310

5.5562.5000.1800.400

5.0001.4080.2000.710

1/V1/SVS

İnhibisyonlu

SKSVV

im

i

)()( max=

ii

im

VSVKV

)(1

)()(/1

maxmax

+=

132.0)(22.0)( max

==

im

i

KV

20.00025.0000.0500.040

14.28615.1520.0700.066

10.00010.2040.1000.098

7.1433.2260.1400.310

6.2502.5000.1600.400

5.2631.4080.1900.710

1/V1/SVS

y = 0.6131x + 4.6156R2 = 0.99220.000

5.00010.00015.00020.00025.000

0.000 10.000 20.000 30.0001/S

1/V

mim

i

KKVV>

=)(

)( maxmax

Competitive (yarışçıl inhibisyon)

mm KiK α=)( 61.1=α )1(iK

I+=α )2.01(61.1iK+= mmolKi 33.0=

ÖdevBir çok durumda enzim aktivitesi, oluşan yan ürün nedeniyle inhibisyona maruz kalır. Örneğin Etanol (S) oksidasyonunda alcoholdehydrogenase enzimi (E), acetaldeyde (I) tarafından inhibe edilmektedir. Aşağıdaki değerleri kullanarak, inhibisyon çeşidini ve inhibisyonkatsayısını hesaplayın.

122020

152130

182450

2125100

V0i (mM/L/dakika)(I = 50 mMol)

V0 (mM/L/dakika)

Etanol, mM

24.637Km (mM)

26.8826.45Vm (mM/L/dakika)

İnhibisyonluİnhibisyonsuz

y = 0.2676x + 0.0372R2 = 0.9502

y = 0.9165x + 0.0378R2 = 0.9986

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0.000 0.020 0.040 0.060

1/S1/V

inhibisyonsuzinhibisyonlu

mim

imm

KKVV>

≈)(

)(Competitive mMKi 85.19

52.3==α

Mikrobiyal Metabolizm� Katabolizma (Catabolism) : Enerji üreten reaksiyonlardır. � Anabolizma: Katabolik reaksiyonda üretilen enerjinin kullanılmasıyla

biyokütle (mikroorganizma) üretim reaksiyonlarıdır.� Metabolizma, katabolik ve anabolik reaksiyonları içine alır. (Metabolizma

=Katabolizma + Anabolizma� Katabolizmada en çok enerji üretecek olan substrat kullanımı tercih

edilir.� Anabolizma da ise hücre içine almak için en az enerji gerektiren substrat

tercih edilir.� Substratlar (CO2, N, S, P,C) oksitlenerek yada hidrolize edilerek önce 12

ön eleman (precursor) üretilir. Daha sonra bu elemanlar kullanılarak 75-100 yapıcı blok üretilir ve bu yapıcı bloklar yağ, hücre duvarı gibi makro moleküllerin üretiminde kullanılır.

� Katabolik reaksiyonlar sonucunda ATP üretilir.

� ATP (Adenosine triphosphate)� Adenine (azotlu bir baz)� Riboze (beş karbonlu şeker)� Üç fosfat

ATP ADP + Enerji

Hidroliz sonucunda Her mol ATP den 7500 calori civarında enerji üretilir.

ATP nin kullanım yerleri;

•Biyosentetik reaksiyonlar

•Aktif transport

•Hareket

•Bir kısmı da ısı olarak kaybedilir.

ATP üç fosforlaşma mekanizması ile üretilir;

1. Substrat düzeyinde fosforilasyon (fosforlaşma)

2. Oksidatif fosforilasyon (Oxidative phosphorylation)

3. Foto fosforilasyon (Photophosphorylation)

Substrate-level phosphorylation (Substrat düzeyinde fosforlaşma)

• Fermantasyon yolu ile ADP’nin ATP’ye dönüştürülmesidir.

• Fermantasyonda glikoz piruvik aside dönüşür. (Embden-Meyerhofdöngüsü yoluyla).

• Piruvik asit farklı ürünlere dönüşebilir (yeast (maya) varlığında alkole, Streptococcuc lactis varlığında laktat a)

• Substrat düzeyinde fosforilasyonda; yüksek enerjili forforlu maddelerde bulunan fosfor grubu ADP’ye aktarılır.

• 1 mol Glikoz fermentasyonunda 2 mol ATP üretilir.

• Her ATP 7500 kaloridir. Glikoz yakılırsa 686000 kalori enerji çıkar.

• Fermentasyonda enerji verimi sadece %2 civarındadır.

Oksidatif Fosforilasyon (Elektron Transport sistemi, ETS)

o Elektronların bir elektron vericisinden ETS yolu ile bir elektron alıcısına (oksijen, nitrat, sülfat) aktarılması yolu ile ATP oluşumudur.

o ETS prokaryotlarda stoplazma membranı üzerinde bulunur. Ökaryotlarda mitokondri de.

o Prokaryotlarda ve ökaryotlarda elektron taşıma sistemleri, aynı olsa da prokaryotlar farklı elektron alıcıları kullanabilir (Nitrat, sülfat gibi)

o ATP en fazla elektron alıcısı olarak oksijen kullanıldığında üretilir.

KatabolizmaAerobik Solunum:

� Solunum ATP üreten bir proses olup, elektronlar ETS ile elektronvericisinden, elektron alıcısı olan (oksijene) taşınır.

� ATP nin küçük bir kısmı substrat-düzeyinde fosforilasyon ile üretilebilir.� Elektron vericisi olarak organik maddeler (örnek, glikoz) veya inorganik maddeler (Fe(II), NH4 gibi) kullanılabilir.

++

+−++

−+

+→++

+→++

++→+

NADOHOHNADHHNADHeHNAD

eHCOOHOHC

1212612121212242412

242466

22

226126

Glikoz Oksidasyonu:

Glikoz degradasyonu (parçalanması) aşağıdaki adımlardan oluşur.

Glikoliz (Glycolysis) (Embden-Meyerhof döngüsü)

Bir mol glikozun 2 mol piruvik aside (3 karbonlu) dönüşümüdür.2 mol NADH üretilir. Toplam 4 mol ATP üretilip, net kazanç 2 mol dur. (2 mol döngü sırasında kullanılır.)

Piruvik Asidin Asetil Koenzim A’ya Dönüşümü

� Pürivik asit den CO2 çıkarılır ve asetil grubu elde edilir.� Bu asetil grubu Koenzim A ile birleşir ve iki karbonlu asetilKoenzim A oluşur.

� Bu işlemde NAD+ , NADH’a dönüşür.

KREBS DÖNGÜSÜ

• Krebs Döngüsüne Citric Asit döngüsü yada tricarboxylic döngüsü de denir

• Krebs Döngüsünde piruvat tamamen CO2’de oksitlenir.

• Bu ökaryotlarda mitokondri de olur. Prokaryotlarda hücre membranında olur.

• Bileşiklerin oksidasyonu sırasında elektronlar oluşur ve NAD+

NADH’a dönüşür.

Elektron Transport Sistemi

� Prokaryotlarda, stoplazmik membranda, ökaryotlarda ise mitokondri elektron taşıyıcılar bulunur.

� Bu sistem NADH ve FADH’da depolanan enerjiyi ATP’yedönüştürür.

� Her mol NADH ve FADH, sırasıyla 3 ve 2 mol ATP üretir. � Gerekli adımlar:

� Substrat oksitlenerek, elektronlar NAD’a gelir ve NAD, NADH’a dönüşür

� NADH son elektron alıcısına (oksijen, nitrat, sülfat, CO2) gelerek NAD+’a dönüşür ve enerji üretilir (Proton motive force yolu ile). Bu yolla ATP üretimine oksidatiffosforilasyon denir.

++

+−++

−+

+→++

+→++

++→+

NADOHOHNADHHNADHeHNAD

eHCOOHOHC

1212612121212242412

242466

22

226126

Aerobik Solunum Yolu ile ATP Üretimi

Her mol glikoz un CO2 e aerobik yollarla oksidasyonu sonucunda 38 mol ATP üretilir. Adımları sıralarsak:

•Glikoliz (glikozun purivat a dönüşümü): 8 mol ATP (2 mol substrat düzeyinde fosforlaşma, 6 mol ATP, oksijen varlığında oksidasyon)

•Purivat’ın Asetil Koenzim A’ya dönüşümü: 6 mol ATP

•Krebs döngüsü: 24 mol ATP

Toplam: 38 mol ATP (8+6+24).

Glikozun yanmasıyla yaklaşık 686000 kalori enerji açığa çıkar. Her ATP molekülü 7000 kalori enerjiye eşdeğer olup, 1 mol glikoz oksidasyonunda 38*7000=266000 kalori enerji açığa çıkar.

Aerobik oksidasyon verimi: 266000/686000*100=%38

Fermentasyon� Elektron alıcısı olmaksızın organik maddelerin (Mesela piruvat) farklı yan

ürünlere dönüşmesidir.� Hem elektron alıcısı hem de elektron vericisi organik maddelerdir. ATP

sadece substrat düzeyinde fosforilasyon ile üretilir. � Fermantasyon çok az enerji üretir (2ATP/1 mol glikoz) ve çoğu

fermantasyon ürünlerinde kalır.� Fermantasyon ürünleri, mikroorganizma çeşidine ve ortam şartlarına bağlı

olarak değişir.� Saccharomyces: Etanol üretir.� Lactobacillus: Laktat üretir� Propionobacterium : Propionik asit üretir.� Yeast (Saccharomyces) kullanarak alkol üretimi çok önemli olup enerji

eldesinde kullanilabilir.� Glikoz dan etanol üretiminde;

� Glikoz piruvik aside dönüştürülür� Piruvik asit asetaldehit’e dönüşür (Piruvik asitten CO2’ giderilerek)� Asetaldehit etanol e dönüşür

Toplam reaksiyon

Anabolizm� Anabolizm yeni hücre oluşumu için gerekli bütün enerji

tüketen reaksiyonları kapsar.� Genel olarak 100 mg (kuru ağırlık olarak) bakteri üretmek

için 3 mmol ATP gerekir.� Enerjinin çoğu protein üretimi amacıyla kullanılır.� Hücre ATP’yi şu amaçlar için kullanır;

� Yapı taşı (building block) üretmek� Makromolekül üretimi� Hücreyi onarmak için� Hareket için� Aktif transport (taşıma) için

o Katabolik reaksiyonlarda üretilen ATP, biyolojik materyallerin üretiminde kullanılır.

o Bu materyaller protein, yağ, polisakarit, purin ve pirimidin dir.

o Bu maddeler için yapı taşları ise, amino asitler, yağ asitleri ve nükleotitlerdir.

� Amino asitler, peptit bağlarıyla bağlanarak proteinleri oluşturur.� Monosakaritler glikosit bağıyla bağlanarak polisakaritleri

oluşturur.� Nükleotitler fosfodiester bağlarıyla birbirine bağlanıp, nükleik

asitleri oluşturur.

Fotosentez� Işık enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür ve CO2’de karbon

kaynağı olarak kullanılarak yeni hücre oluşturulur.� Işık, klorofil moleküllerince absorplanır ve kimyasal enerjiye

dönüştürülür. Klorofil molekülü; alglerde, bitkilerde ve fotosentetik bakterilerde bulunur.

Reaksiyon ise

•Gündüz ışık enerjisi ATP’ye dönüştürülerek NADH üretilir

•Gece ise NADH ve oksijen kullanılarak (solunum yapılarak) CO2 üretilir.

Mikrobiyal Büyüme Kinetiği� Prokaryotik mikroorganizmalar bölünerek çoğalır.� Büyüme; mikroorganizma sayısının artması yada

ağırlığının artması şeklinde tanımlanır.� Büyüme hızı; hücre sayısında yada ağırlığında birim

zamanda meydana gelen artış olarak tanımlanır.� Bakteri sayısının iki katına çıkması için gereken süreye

ikilenme süresi (doubling time) yada generasyon zamanı denir. Bu süre; dakikalar yada günler mertebesinde olabilir.

� Mikrobiyal topluluk (popülasyon) kesikli yada sürekli sistemlerde büyür.

� Kesikli sistem: madde giriş ve çıkışı yok � Sürekli sistem: madde giriş ve çıkışı sürekli.

Kesikli SistemlerMadde giriş ve çıkışı olmayan sistemlerdir.

Kesikli Reaktörde Bakteriyel büyüme eğrisi

Bakteriyal büyümede safhalar

� Lag fazı� Eksponensiyal faz� Durağan(Stationary) faz� Ölüm (Death)fazı

Lag Fazı: Mikroorganizmalarin yeni büyüme ortamlarına alışmaları için gerekli olan süredir. Başka bir ortamda büyüyen hücre, yeni bir ortama alındığı zaman hücreler bu yeni ortama alışmaya çalışır. Bu sürenin uzunluğu; yeni ortamın fizikokimyasal özelliklerine ve hücrenin geçmişine bağlıdır. Eğer logaritmik büyüme fazındaki bir hücre aynı ortama aktarılırsa lag fazı gözlenmez.

Logaritmik (Eksponansiyel) büyüme fazı:Bu fazda hücre sayısı logaritmik olarak artar. Logaritmik büyüme hızı bir çok faktöre bağlıdır. Bunlar, sıcaklık, substrat konsantrasyonu, pH, oksijen konsantrasyonu olarak sıralanabilir. Uygun koşullarda bakteri hücresi mesela (E. coli) her 15-20 dakikada bir bölünür.

Bu fazda büyüme Hızı;

µµ)/ln(

/

0 ==

tXXXdtdX

µ = Özgül (spesifik) büyüme hızı (1/gün)

X = Herhangi bir andaki hücre konsantrasyonu

X0= Başlangıçtaki hücre konsantrasyonu (mg/L)t= Zaman (gün)

Durağan (Stationary)Faz: Mikrobiyal büyüme sonsuza kadar devam edemez. Substrat ve nütrientlerintüketilmesi, elektron alıcısının (oksijen) tüketilmesi veya ortamda substrat tüketilmesinden dolayı toksikmaddelerin birikmesinden dolayı, büyüme duracaktır. Bakterilerin net büyüme hızı sıfır olup. Büyüme ve ölüm hızı birbirine eşittir.

Ölüm Fazı: Bu fazda bakterilerin ölme hızı, büyüme hızlarından daha büyüktür. Canlı hücre sayısı azalır.

µµ

/693.0)2ln(2 0

==

=

d

d

tt

XX

Bakteri sayısının 2 katına çıkması için gerekli zamanı hesaplarsak;

td= (doubling time, ikilenme zamanı) Bakteri konsantrasyonun iki katına çıkması için gerekli zaman

Mikrobiyal büyümeyi Etkileyen Fizikokimyasal Faktörler

1-Substrat Konsantrasyonu: Büyüme hızı ile substrat konsantrasyonu arasındaki ilişki Monod denklemi ile ifade edilir.

µ =Özgül (spesifik) büyüme hızı (1/gün)

maxµ = maksimum özgül (spesifik) büyüme hızı (1/gün)

S= Substrat Konsantrasyonu Ks= yarı hız sabiti

SKS

s += maxµµ

2- pH: Biyolojik atıksu arıtımı genellikle nötral (7) pH’larda olur. Fakat, asidik ortamları seven mikroorganizmalarda vardır. Mesela Thiobacillusve Sulfolobus pH 2’nin altında yaşar. Fakat biyolojik evsel atıksu arıtımında rol oynayan bakteriler nötral (7 civarı) ortamı sever. Genellikle bakteri büyümesi sonucu ortam pH’sı düşer. Bunun nedeni organik asit ve CO2 üretimidir. Fakat nitrifikasyon bakterileri ve alglerin büyümesi sonucu ortam pH’sı artar. pH mikrobiyal enzim aktivitesini etkiler. Ayrıca, kimyasalların iyonlaşmasını etkileyerek, nütrient ve toksik maddelerin hücre içine alınımını da etkiler.

3- Oksijen Seviyesi: Bakteriler oksijen varlığında yada oksijen yokluğunda yaşayabilirler. Oksijen isteklerine göre bakteriler genel olarak; aerobik (oksijenli ortamda yaşayanlar), Fakültatif (oksijenli ve oksijensiz ortamda yaşayanlar) ve Anaerobik (oksijensiz ortamda yaşayanlar)olarak sınıflandırılabilirler. Aerobikler oksijeni elektron alıcısı olarak kullanır. Anaerobikler; elektron alıcısı olarak Nitrat, sülfat ve CO 2’i kullanırlar.

Oksijen indirgendiğinde, zehirli (toksik) oksijen formları formları üretilir. Mesela superoxide (O2

-), Hidrojen peroksit (H2O2) gibi. Fakat bu toksik formlar, enzimlerle etkisiz hale getirilir. Mesela H2O2 kataliz ve peroksidaz enzimleri ile etkisiz hale getirilir. Bu enzimler aerobik bakterilerde olduğu halde, anaerobik bakterilerde bulunmaz ve oksijen anaerobiklere zararlı etki yapar.

4-Sıcaklık: Sıcaklık bakteri büyümesini ve canlılığını etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Çeşidine göre bakteriler 0 ile 100 oC arasında canlı kalabilir yada büyüyebilirler. Sıcaklık isteklerine göre bakteriler; psikrofilik, mezofilik, termofilik ve ektremtermofilikolarak sınıflandırılabilirler. Mikrobiyal büyüme ve sıcaklık arasında ilişki genellikle Arrhenius denklemi ile verilir. Buna göre;

A= sabit

E= aktivasyon enerjisi (kcal/mol)

R= gaz sabiti

T= sıcaklık (K)

Psikrofilik bakteriler düşük sıcaklıkta yaşayabilirler. Çünkü hücre zarındayüksek miktarda doymamış yağ asitleri bulunmakta olup, düşük sıcaklıklarda zar akışkanlığı korunmuş olur. Termofilik bakterilerin hücre zarında ise yüksek miktarda doymuş yağ asitleri bulunmakta olup,bakterinin yüksek sıcaklıklarda aktif olmasını sağlar.

Yüksek sıcaklıklarda büyüme hızında meydana gelen azalmanın nedenleri; proteinlerin özellikle enzimlerin bozulması ve hücre zarı yapısında meydana gelen değişimlerden dolayı geçirgenliğinde meydana gelen değişmedir.

Örnek 1

Bir büyüme ortamında başlangıçtaki hücre miktarı 103 adet/mL’dir. İkilenme zamanı 1.5 saat ise, 16 saat sonraki hücre konsantrasyonunu hesaplayın.

dx/ dt= µX

td=0.693/µ

µ = 0.693/1.5 saat = 0.462 saat-1

X = X0.e(µt)

X = 103*exp (0.462saat-1*16 saat)

X = 1.6.106 adet/mL

Örnek 2

Aerobik kesikli bir reaktörde bir mol glikoz üzerinden 58 gram bakteri büyümesi gözlenmiştir. Hücre dönüşüm katsayısı (Y) nı hesaplayın.

1 mol glikoz = 180 gram

Y = Gram hücre üretilen / Gram substrat tüketilen

Y = 58 g/180g = 0.32 g/g

Örnek-3

Logaritmik büyüme fazının başlangıcında bakteri konsatrasyonu (X0 = 500 mg/L) dir. Spesifik büyüme hızı 0.5 saat-1 ise;

a- 6 saat sonraki hücre konsantrasyonunu bulun.b-ikilenme zamanını (doubling time) hesaplayın.

Örnek-4

Kesikli bir reaktörde evsel atıksu ile bakteri büyüme kinetiği araştırılmıştır. Bu çalışmada logaritmik büyüme fazında bakteri konsantrasyonları uçucu askıdaki katı madde olarak farklı zamanlarda ölçülmüş ve aşağıdaki veriler elde edilmiştir. Bu verileri kullanarak spesifik büyüme hızını hesaplayın.

37101761451141037.426.1150

X (mg/L)tdX/dt =µX

dX/dt =µX dX/X = µt

lnX-lnX0 = µt

lnX = lnX0 + µt

3.61137102.8331762.6391452.3981142.3031032.0017.421.8086.111.60950lnxX (mg/L)t

y = 0.2004x + 1.6238R2 = 0.9971

0

1

2

3

4

0 2 4 6 8 10t

lnX

µ = 0.2 saat-1

Evsel Atıksularda Parasitler ve Patojenler

Atıksularda bulunan ve insanlara hastalık bulaştırma riski taşıyan organizmalar:

1-Bakteriler2-Mantarlar (funguslar)3-Protozoalar4-Metazoalar (helmintler)5-Virüsler

Bakteriyel Patojenler: Dışkı 1 gramında yaklaşık 1012 adet bakteri içerir. Dışkının ağırlık cinsinden yaklaşık %9’u bakteridir. Atıksu da bulunan bakteriler aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:

1- Gram negatif fakültatif anaerobik bakteriler (Aeromonas, Plesiomonas, Vibrio, Enterobacter, Escherichia, Klebsiella and Shigella).

2- Gram Negatif aerobik bakteriler (Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, and Acinetobacter)

3- Gram-pozitif spor-üreten bakteriler (Basillus)

4- Spor oluşturmayan gram pozitif bakteriler

İnsan dışkısıSindirim yolu hastalıkları (aşırı ishal)

Enteropatojenik E. coli

İnsan dışkısıKoleraVibrio cholerae

İnsan dışkısıBasilli dizanteriShigella

İnsan dışkısıParatifoSalmonellaparatyphi

İnsan dışkısıTifoSalmonella typi

KaynağıSebep olduğu hastalık

Patojen Bakteri

Önemli Patojen Bakteriler ve Sebep olduğu hastalıklar

İçme sularının arıtılmasıyla beraber dışkı yolu ile bulaşan hastalıkların sayısında önemli derece azalma olmuştur.

55.0Filtre edilmiş ve klorlanmış su

6640.5Sadece klorlanmış yüzeysel su

37132.5Arıtılmamış yüzeysel su

Her yıl bir milyon insanda

hastalanan sayısı

Her 1000 su sisteminde salgın

sayısı

Toplumun sahip olduğu su sistemi

İndikatör Mikroorganizmalar

Su ve atıksularda, patojen bakteri, virüs, protozoayumurtalarının direk olarak tayin edilmesi; zor, pahalı ve uzun zaman gerektiren laboratuar analizlerini gerektirmektedir. Bu nedenle kendileri patojen olmadıkları halde patojen organizmaların su da bulunup bulunmadığını anlamak amacıyla indikatör (gösterge) mikroorganizmalar kullanılır. İdeal bir indikatör organizma aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır;

1. Sıcak kanlı hayvanların bağırsaklarında yaşamalıdır.2. İndikatör organizma, patojen mikroorganizma bulunduğunda

suda mevcut olmalıdır. Fakat, temiz (patojen bulundurmayan) suda mevcut olmamalıdır.

3. Patojenlerden daha fazla bir sayıda atıksu da bulunmalıdır.4. Patojenler kadar, hatta onlardan daha fazla dezenfeksiyona

karşı dirençli olmalıdır.5. Çevrede çoğalmamalıdır.6. İndikatör organizma patojen olmamalıdır.7. Kolay bir şekilde varlığı ve sayısı tayin edilebilmelidir.

Indikatör olarak kullanılan Organizmalar

Toplam Koliform

� Aerobik ve anaerobik fakültatif gram negatif, spor oluşturmayan, çubuk şeklinde olan ve laktozu 35oC’de 48 saat içinde fermente ederek gaz oluşturan bakteriler bu gruba girer.

� Bu gruptaki bakteriler; E. coli, Enterobacter, Klebsiella ve Citrobacter.

� Bu grup bakteriler insan veya hayvan dışkısıyla oldukça fazla miktarda deşarj edilirler. Bir kişi günde 2x109 adet koliformdeşarj edebilir.

� Toplam koliform, içme suyu, balık havuzları ve dinlenme amacıyla kullanılan suların kalitesini belirlemede kullanılır.

� Dezenfeksiyona ve çevresel faktörlere virüs ve protozoayumurtalarından daha az hassastır.

� Atıksu arıtma tesislerinin performanslarının belirlenmesinde oldukça etkili ve faydalı bir parametredir.

Fekal Koliform

� Fekal koliform (sıcaklığa dayanıklı koliformlar) 44.5oC’de laktozu fermente edebilen bütün koliformları içerir. Fekal koliorm grubu bakteriler Escherichia coli (E. coli) ve Klebsiella pneumonae dır. Fakat E. coli çok daha önemli olup, bazı araştırmacılar sadece E.coli nin fecal koliform olarak alınmasını önermektedir.

� Fekal koliformun bir suda bulunması, o suya sıcak kanlı hayvanların dışkısının karıştığının göstergesidir. Çoğu zaman fekalkirlenmenin insan yada hayvan orijinli olduğunun ayrımını yapmak zordur.

� Fekal koliformlar bakteri patojenleri ile benzer dayanıklılığa sahip olmasına rağmen, dezenfeksiyona virüs ve protozayumurtalarından daha az dayanıklıdır. Bu nedenle virüs ve protozoa yumurtası kirlenmesinin indikatörü olarak kullanılamazlar.

� Uygun koşullarda su ve atıksuda yeniden büyüyebilirler.

Fekal Streptok

� Bu gruba giren bakteriler; Streptococcus faecalis, S. bovis, S. equinus ve S. avium.

� Bu bakteri grubu sıcak kanlı hayvanların bağırsaklarında yaşadıkları için sularda fekal kontaminasyonu belirlemek için kullanılır.

� Bu gruba ait organizmalar, diğer indikatör bakterilere kıyasla daha uzun canlı kalabilirler, fakat çevrede tekrar büyümezler.

� Fekal streptokokların bir alt grubu olan enterokoklar (S. faecalis ve S. faecium) genellikle biyokatılarda ve deniz suyunda virüs varlığını belirlemek için kullanılan bir indikatördür.

� Fekal koliformun, fekal streptokok a oranı (FK/FS) kirlenmenin kaynağını bulmak için kullanılır.

� FK/FS≥4 ise kirlenme insan orijinli� FK/FS<0.7 ise kirlenme hayvan kaynaklıdır.

� Fakat bu oranın kullanılarak kirlenme kaynağının bulunması ancakkirlenme yeni ise geçerlidir (24 saat). Klorlanmış sular için buoranın kullanılarak kaynağın tespiti güvenilir olmaz.

� İkincil arıtımdan çıkmış sulara 20-40 mg/L klor uygulanması sonucunda (kontak zamanı 30 dakika) 4-5 log fekal koliform ve 3-4 log enterokok gidermek mümkündür.

� EPA (Environmental Protection Agency, Çevre koruma örgütü) ve TSE (Türk standartları Enstitüsü) ye göre 100 mL sinde 1 veya daha az sayıda koliform içeren sular içme amaçlı kullanım için bakteriyolojik açıdan uygundur.

� Koliform bakteriler aerobik yada fakültatif anaerobik, gram negatif, spor oluşturmayan çubuk şeklinde ve 24-48 saat içinde laktozu 35oC’de fermente edebilen bakterilerdir. Bu gruba; Escherichia, Citrobacter, Enterobacter (Aerobacter) ve Klebsialla girmekle beraber sadece E.coli fekal kontaminasyonu gösterir. Fakat, bir içme suyunun bakteriyolojik açıdan uygunluğu toplam koliform ile verilir ve fekal koliform bazı özel durumlarda ölçülür.

� Koliform organizmaların sayımında en muhtemel sayı veya membran filtre metodu kullanılır.

En Muhtemel sayı (Most-Probable-Number) metodu

•Bu metotta durham tüpü bulunduran toplam 9 adet tüp kullanılır. Tüpler 10 mL Lauryl Tryptose (LT) broth yada MacConkey broth içermektedir. Bu broth sadece koliform grubu bakterilerin gelişmesine izin verir.

•Tüplerden 3 tanesine 0.1 mL su numunesi ile, 3 tanesine 1 mL su numunesi, diğer 3 tanesine (iki kat konsantre) 10 mL su numunesi konur ve 35oC’de 48 saat inkübe edilir.

•Bu süre sonunda tüpler aşağıdaki durumlara göre pozitif yada negatif olarak belirlenir:

•Hem asit üretimi hem gaz oluşumu => pozitif

•Asit üretimi var, gaz üretimi yok => negatif

•Asit üretimi yok, gaz üretimi var=> şüpheli=> 24 saat daha beklenir ve durum değişmez ise=> negatif

Örnek

10 10 10 1 1 1 0.1 0.1 0.1

+ + + + + + - - -

3 2 1

En muhtemel metoduna göre toplam koliform bakteri sayımı yapılmak istenen numunede aşağıdaki sonuç elde edilmiştir. Buna göre toplam koliform sayısı nedir.

EMS/ 100 ml => 150En düşük Limit => 30 En Yüksek Limit => 440

Çözüm

Hücre Genetik Materyali

� Hücredeki bütün protein sentezi için bilgiler DNA’nın yapısında şifrelenmiştir.

� DNA veya kromozomun belli bölgeleri gen olarak adlandırılır.

Deoksiribonükleik asit (DNA)� Prokatyorlarda DNA hücre içerisinde tek bir molekül

şeklindedir ve zarla çevrilmemiştir.� Prokaryotik hücreler, ayrıca Plazmit denen küçük yuvarlak

DNA molekülleri içerir.� Ökaryotlarda çekirdek bir zarla çevrilidir.� Bu zar küçük gözeneklere sahip olup, stoplazmadan

çekirdeğe madde aktarımına izin verir.� Ökaryotlarda DNA kromozom şeklinde mevcut olup histon

adı verilen moleküller içerir.� Ökaryotik hücre mitoz ile bölünür. Mitoz bölünmede, hücre

kromozom sayısı iki katına çıkar ve bölünmeden sonra herbir yavru hücre eşit sayıda kromozom içerir.

DNA� DNA birbiri etrafına sarılarak çift sarmal “double helix”

meydana getiren iki DNA sırasından oluşur.� DNA sarmalının her sırası “nükleotid” lerden oluşur.� Büyük bir molekül olup milyonlarca nükleotidden meydana

gelir.� Örnek E. Coli yaklaşık 4x106 çift nükleotidden meydana

gelmiştir.

Herbir nükleotid üç kısımdan meydana gelir;

•Azot ihtiva eden purin yada pirimidin bazı (azotlu baz)

•Deoksiriboz denen 5 karbonlu şeker (pentoz)

•Bir fosfat molekülü

Purin bazları

• Adenin (adenine, A)

• Guanin (Guanine, G)

Pirimidin Bazları

• Sitozin (cytosine, C)

• Timin (Thymine, T)

Dört çeşit Azotlu baz vardır;

Purin bazları çift halkalı molekül, pirimidin bazları tek halkalı moleküldür.

� DNA’da dört çeşit azotlu baz olduğu için dört çeşit nükleotid bulunur.

� Deoksiriboz (pentoz) molekülü 1 numaralı karbon atomu ile azotlu baza, 5 numaralı kabonatomundaki hidroksil ile fosforik asite asitebağlanır.

� Bir sarmaldaki nükleotitler birbirine fosfodiesterbağları ile bağlanır.

� Bir pentozun 3. karbonuna bağlı (3’ karbon) hidroksil grubu, bir sonraki pentozun 5. karbonuna bağlı (5’karbon) fosfat grubuna bağlanır.

� DNA molekülü bir eksen ve birbiri etrafında dönen iki DNA zincirinden meydana gelir.

� İki zincirin bulunması, bir sarmaldaki bazlarla diğer sarmaldaki bazlar arasındaki hidrojen bağları ile olur.

� Bu şekilde oluşan iki baz tamamlayıcı baz çifti olarak adlandırılır.

• Guanin, sitozin ile; adenin timin ile birleşir.

• DNA’nın bir sarmalı böylece 5’ – 3’ yönünde, diğer sarmalı ise 3’-5’ yönündedir.

• İki zincirli bir DNA molekülünde, A/T ve G/C oranı devamlı bir dir. Fakat A/C, C/T oranları farklı olabilir.

DNA Biyosentezi ve Protein ÜretimiReplikasyon (Kopyalama): DNA molekülü Kendi kopyasını yapabilme özelliğine sahiptir. İki DNA iplikçiği ayrılır ve her bir iplikçik yeni oluşturulacak olan DNA iplikçiğine kaynak görevi görür. Nükleotitler DNA iplikçiğindeki sıraya göre birleşerek yeni iplikçik oluşur. Nükleotitlerin yeni DNA iplikçiğine eklenmesi DNA polymerase enzimi sayesinde olur.

Transkripsiyon (Yazılım): Transkripsiyon DNA daki bilginin RNA ya aktarılmasıdır. DNA’yı tamamlayıcı tek iplikçikli RNA molekülüne messenger RNA (mRNA) denir. Transkripsiyon RNA polymerase enzimi sayesinde gerçekleşir. Enzim düzenleme (aktif yada inaktif hale getirme) transkripsiyon sırasında olur. Bazı durumlarda enzimin faaliyete başlaması sonucu üretilen ara ürün enzimin üretimini durdurur. Enzimin ara ürünü co-repressör olarak davranır ve repressör ile beraber operatör gen’e bağlanarak transkripsiyonu, dolayısıyla enzim üretimini durdurur.

İnducible (teşvik edilir) enzimler ise sadece substrat ortamda mevcut iken üretilir. Substrat (teşvik edici) represör ile komplex oluşturur ve operatör gen’e bağlanmasını engeller.

Repressör Protein: DNA nın spesifik bölgelerine bağlanıp transkripsiyonu ve sentezi durdur.

Translation (Çeviri): mRNA stoplazma da protein sentezini kontrol eder. Proteinlerde amino asitler özel bir sıra ile dizilmiş olup, bu sıra mRNA larda bazların özel bir dizilimi şeklinde korunur. Yani mRNA daki baz sırasına bağlı olarak aminoasitler üretilir ve amino asitler proteini oluşturur. Transfer RNA (tRNA)’nın hem mRNA’ya hem de amino asitlere bağlanabilen bölgeleri vardır. Böylece, tRNA baz sırasına bağlı olarak ribozoma amino asit getirir. mRNA’daki üç nükleotit kodonolarak adlandırılır. Kodon daki baz sırası spesifik bir aminoaside karşılık gelir. Bazı kodonlar protein sentezini başlatmak bazıları da (UAA, UAG ve UGA) durdurmak içindir. Toplam 64 adet kodon mevcuttur.