Drobnoustroje w ochronie środowiska Flashcards
Metanotrofy (mikroorganizmy metylotroficzne)
strukturalnie i funkcjonalnie wyspecjalizowane w procesie utleniania metanu
• Bakterie tlenowe, heterotroficzne, które wykorzystują metan wytworzony przez bakterie metanowe jako źródło węgla i donor elektronów
• Wykazują zdolności rozbijania wiązań C1
• Znaczenie ekologiczne i biotechnologiczne: udział w globalnym procesie krążenia węgla, asymilacji związków jednowęglowych, udział w procesach degradacji licznych zanieczyszczeń organicznych
• Dwie rodziny
o Methylococcaceae w obrębie γ-Proteobacteria, do których należą metanotrofy I i X typu (tzw. γ-metanotrofy)
o Methylocystaceae w obrębie α-Proteobacteria grupujące metanotrofy II typu (α-metanotrofy)
Rodzaje metanotrofów
• Metanotrofy obligatoryjne:
o zdolne do rozkładu metanu i związków powstałych z jego utleniania (metanol, formaldehyd) oraz mrówczanu metylu, czyli związków nie zawierających wiązania C-C
o Rodzaje: Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis
• Metanotrofy fakultatywne:
o jako źródło węgla i energii wykorzystują zarówno metan i jego pochodne, jak i związki wielowęglowe
o Utlenianie metanu do metanolu przeprowadza wysoce niespecyficzny enzym – monooksydaza metanowa (MMO), która u metanotrofów występuje w dwóch formach
Rozpuszczalna forma enzymu sMMO zawierająca niehemowe żelazo i została wykryta u metanotrfów typu II i X
Enzym związany z błonami plazmatycznymi pMMO – występuje u wszystkich metanotrofów. Brak specyficzności tego enzymu nadaje metanotrofom zdolność katalizowania różnych związków np. chlorowanych węglowodorów (ważne w biologicznych metodach degradacji substancji toksycznych)
Morfologia metanotrofów
• Metanotrofy I typu:
o krótkie pałeczki
o np. Methylomonas methanica, Methylobacter chroococcum
• Metanotrofy II typu:
o komórki gruszkowate, pałeczki, przecinkowce
o np. Methylosinus trichosporium, Methylocystis pyriformis
• Metanotrofy X typu
o ziarniaki
o np. Methylococcus capsulatus
Podział bakterii metanotroficznych w kontekście wymagań środowiskowych
Typ I metanotrofów występuje w środowiskach o niskim stężeniu CH4, wysokim stężeniu O2 oraz w warunkach obecności miedzi i azotu
• Rozwojowi metanotrofów typu II i syntezie sMMO sprzyja wysokie stężenie metanu, niedobór O2 i związanego azotu oraz brak miedzi, czyli warunki panujące m.in. w wodach podziemnych
Bakterie metanotroficzne utleniają metan z wytworzeniem kolejno następujących związków
o Metanolu
o Formaldehydu
o Kwasu mrówkowego i CO2
Sposób asymilacji węgla jest cechą różnicującą bakterie metanotroficzne
- U metanotrofów I i X typu formaldehyd powstały w wyniku utleniania metanu może zostać wbudowany do różnych związków organicznych poprzez cykl rybulozomonofosforanowy (RMP)
- U metanotrofów II typu – cykl serynowy
Czynniki fizyczne i chemiczne wpływające na utlenianie metanu
Współczynnik dyfuzji gazów
• Stężenie tlenu, metanu, amoniaku, azotanów, azotynów i miedzi
• Wilgotność oraz stopień upakowania gleby
• Temperatura gleby
• Wartości pH gleby (optimum 6,0-7,0)
Środowiska zajmowane przez bakterie utleniające metan
- Tundra – utlenianie CH4 w powierzchniowej warstwie gleby
- Pola ryżowe - w pobliżu roślin, gdzie tlen jest dostarczany przez rośliny, dominują metanotrofy II typu
- Organizmy zwierzęce - 2 gatunki małży z rodziny Mytilidae, metanotrofy zasiedlały głównie tkankę skrzeli
- Jeziora - o W zbiornikach bagiennych dominują metanotrofy II typu, podczas gdy w jeziora oraz ich osadach przeważają metanotrofy I typu, o W ubogich w substancje pokarmowe (m.in. związki azotu) wodach jezior oligotroficznych wykrywano jedynie metanotrofy II typu
- Morza i oceany: występowanie metanotrofów, głównie typu I w wodach odkrytych
- Gleby – nie obserwuje się stratyfikacji w rozmieszczeniu bakterii metanotroficznych, o Aktywność bakterii metanotroficznych izolowanych z kwaśnych gleb zależy od zmian odczynu gleby
Poziomy organizacji mikroorganizmów w środowisku wodnym
- Mikroorganizmy funkcjonują w środowisku jako populacja – formacje poszczególnych komórek drobnoustrojów
- Metabolicznie podobne populacje – wspólnoty (konsorcja) mikroorganizmów (grupa gatunków o podobnym sposobie odżywiania się oraz korzystających z podobnych lub tych samych zasobów siedliska)
Strefy beztlenowe jezior
- Litoral – fototrofy
- Profundal – strefa jeziora pozbawiona światła, położona poniżej dolnej granicy występowania roślin. Niska zawartość tlenu (zielone i purpurowe bakterie siarkowe – beztlenowa fotosynteza)
- Bentos - bakterie beztlenowe produkujące H2S i CH4, bakterie denitryfikujące
Zmienność temperatury w wodach stojących
W wodach stojących np. jeziorach, których prąd wody jest bardzo słaby lub nie ma go wcale, temperatura zmienia się w cyklu rocznym
• Jeziora zwłaszcza głębokie, charakteryzuje stratyfikacja pionowa, czyli podział na warstwy, różniące się składem i temperaturą
o Warstwa ciepłej wody: epilimnion
Każdy metr głębokości niżej oznacza spadek temperatury o ponad 1oC
o W warstwie przydennej zwanej hypolimnionem woda ociąga temp 4oC i ma największą gęstość
o Termoklina – bariera między epi- i hypoliminem
Samooczyszczanie się jezior
- Wody wymienionych 3 warstw nie mieszają się ze sobą przez całe lato z powodu różnic w gęstości, a woda krąży tylko w epilimnionie pod wpływem wiatru
- Biogeny odżywcze i substancje toksyczne są obecne przy dnie jeziora nie są dostępne dla organizmów z górnych warstw wody i późnym latem warstwa powierzchniowa wykazuje deficyt substancji troficznych
- Jesienią wody powierzchniowe zaczynają się ochładzać i opadać, wypierając cieplejsze wody położone niżej
- Cyrkulacja jesienna – wymiana oraz mieszanie się wód pod wpływem wiatru wody te natleniają się i równocześnie pozbywają nadmiaru no CH4 i CO2 przez wydzielenie go do atmosfery
Wykorzystanie metanotrofów
zmniejszanie emisji gazów cieplarnianych (metan, bromometan)
• Biofiltry na wysypiskach odpadów
• Synteza biopolimerów dla przemysłu farmaceutycznego, spożywczego, naftowego, chemicznego
• Biosynteza aminokwasów, witaminy B12
• Bioremediacja
• Biopaliwa: metanol
• Biomasa: białka paszowe
bakterie metanogenne
- bezwzględne beztlenowce zaliczane do Archebacteria, wykazujące zdolność przekształcania alkoholi, kwasów organicznych, wodoru i CO2 w metan
Metanogeneza
degradacja materii organicznej do CH4 i CO2, zachodząca w warunkach beztlenowych, ograniczonej ilości azotanów, siarczanów lub utlenionego żelaza i manganu
Typy metanogenów pod względem substratów do produkcji metanu
Hydrogenotrofy – utleniają H2 i redukują CO2 tworząc metan (części z nich utlenia mrówczan do CH4)
• Grupa wykorzystująca związki metylowe (metanol, metyloaminy, dimetylosiarczki), w tym część z nich jest obligatoryjnymi metylotrofami
• Grupa wykorzystująca octan do produkcji CH4 (obligatoryjne acetotrody – najmniej liczna)
• Hydrogenometylotrofy – redukująca metanol wodorem tworząc CH4
etapy metanizacji
I etap: hydroliza celulozy i hemicelulozy, w wyniku której powstaje m.in. glukoza wykorzystywana w dalszych reakcjach tlenowych lub fermentacjach
• II etap: fermentacja celulolityczna
• III etap: produkty fermentacji takie jak CO2, H2, HCOOH czy CH3COOH nie akumulują się w środowisku, lecz mogą bezpośrednio zaopatrywać metanogenezę, a pozostałe ulegają przekształceniu w octan, w procesie acetogenezy przeprowadzanym przez bakterie acetogenne
• IV etap: metanogeneza, podczas której powstała energia gromadzona zostaje w postaci ATP
Wykorzystanie bakterii metanogennych w oczyszczaniu ścieków
• W oczyszczaniu mocno stężonych ścieków wykorzystywane są metody beztlenowe, w których uczestniczą bakterie metanogenne. Produktami procesów zachodzących w reaktorach beztlenowych o pełnym wymieszaniu są metan, siarkowodór, amoniak i dwutlenek węgla
• W beztlenowym rozkładzie związków organicznych (ścieków) można wyróżnić trzy fazy
o Hydroliza, czyli przetwarzanie złożonych związków organicznych na związki, które mogą być przyswajane przez mikroorganizmy
o Przetwarzanie związków powstałych w wyniku hydrolizy na produkty kwaśne
o Rozkład związków prostych z wytworzeniem metanu i dwutlenku węgla – tzw. faza metanowa, przeprowadzana przez bakterie metanogenne
Zalety beztlenowego oczyszczania ścieków
• Niskie zużycie energii – nie stosuje się procesów napowietrzania i mieszania co jest związane z nakładem energii
• Niski przyrost osadu oraz produkcja metanu, który może być wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej lub cieplnej wykorzystywanych na lokalne potrzeby
Grzyby owadobójcze (enteropatogenne)
gatunki organizmów wykazujące w swoim rozwoju chorobotwórcze właściwości albo bezpośrednie zależności troficzne mające charakter pasożytnictwa w stosunku do żywych stawonogów
Podział grzybów owadobójczych
- Monofagi
- Oligofagi
- Polifagi
- Pasożyty bezwzględne [obligatoryjne ]
- Pasożyty względne [fakultatywne ]
- Pasożyty warunkowe [potencjalne ]
Owadomorki Entomophthorales
• Należą do klasy sprzężniaków • Głównie lądowe, zwykle na terenach o dużej wilgotności • Atakują o stawonogi – owady, pająki właściwe o Nicienie o Niesporczaki o Rośliny – glony, paprocie o Grzyby • Występują w przyrodzie jako saprofity • strzępki grube, tworzące bardzo nieregularne struktury • Obecność ścian poprzecznych w strzępkach • Ciała strzępkowe o Protoplasty o Otoczone ścianą komórkową • Rozwój plechy przez o Podział strzępek o Pączkowanie • Formy przetrwalne – zygospory, azygospory, chlamydospory
Typy konidiów u Entomophthorales
Ballistospory odrzucanie aktywnie, na grubym trzonku
• Kapillispory – nie odrzucane aktywnie, na cienkim konidioforze
o Prohatospory – cienka, elastyczna, lepka ściana
o Ahaptospory – ściana gruba, sucha, bez wyrostka lepowego na końcu
o Haptospory – ściana gruba, sucha, z wyrostkiem lepowym na końcu
Cykl życiowy owadomorków- fazy
o Faza infekcji
o Faza lipolizy - rozwój grzyba w ciele tłuszczowym przy udziale lipaz
o Faza rozprzestrzeniania się po organizmie owada - Rozpad na ciała strzępkowe, Rozprzestrzenianie się do wszystkich części ciała
o Faza proteolizy - Namnażanie ciał strzępkowych i tworzenie mykotoksyn
o Faza mumifikacji - Maksymalne rozmnażanie się grzyba i wypełnianie ciała owada
o Faza sporulacji - Kiełkowanie strzępek przez otwory, przekształcanie ich w trzonki konidialne, Wytwarzanie zarodków i ich rozsiewanie, Zazwyczaj po śmierci żywiciela
Przystosowania grzybów owadobójczych do zarażania owadów
Produkcja dużych ilości konidiów lub askospor • Aktywne odrzucanie zarodników • Pokrycie konidiów lepką wydzieliną • Wytwarzanie konidiów kolejnych rzędów • Zdolność do mumifikacji owada • Modyfikacja zachowań żywiciela
Modyfikacja zachowań żywiciela przez grzyby owadobójcze
Utrata koordynacji ruchów • Zaprzestanie żerowania • Drgawki • Paraliż • Biegunki • Osłabienie reagowania na bodźce • Odwrócenie geotaksji – przechodzenie owadów na wyższe partie rośliny
Sposoby obrony owadów przed grzybami owadobójczymi
- Unikanie grzybów
- Organizacja kutikuli (głównie skład chemiczny)
- Związki przeciwdziałające wniknięciu strzępek infekcyjnych
- Fagocytoza elementów grzyba przez plazmocyty i granulocyty
- Hemocyty i enkapsulacja
- melanina
hemocyty - podział
- prohemocyty: komórki pnia, z których powstają inne typy hemocytów
- plazmocyty: są zdolne do fagocytozy, biorą udział w enkapsulacji, jest ich najwięcej wśród wszystkich hemocytów
- sferulocyty: związane z wydzielaniem melaniny, i niektórych białek hemolimfy i z tworzeniem skrzepu w miejscu zranionym
- oenocytoidy: prawdopodobnie rozpoznają ciała obce w organizmie owada
- receptor GNBP3 u muszki owocowej rozpoznaje glukany znajdujące się w ścianach komórkowych grzybów, przez co informuje układ obronny owada o zakażeniu grzybem
- u owadów rozróżnia się odporność komórkową i humoralną, ale nie wytwarzają one limfocytów, immunoglobulin
wtórne metabolity entomopatogenów
substancje wytwarzane przez organizmy żywe, które nie są niezbędne do podtrzymywania ich funkcji życiowych ani do procesów wzrostowych, mogą natomiast odgrywać rolę w przystosowaniu grzyba do określonych warunków życiowych (niektóre powodują zatrucie owada, inne wpływają na jego zachowanie)
np.
o Destruksyny (metarhizium anisopliae – toksyczne dla muchówek i gąsienic motyli, zabijają komary i dorosłe muszki owocowe, efekt działania zależy od stężenia. Powodują paraliż mięśni owadów
o Cyklosporyny – Beauveria, Verticillium, Tolypocladium – działanie immunosupresyjne i patogenne
o Beauverycyna – Beauveria bassiana i B. brongniartii – zabija owady np. larwy stonki ziemniaczanej i komarów
o Bassianolid (B. bassiana( - w małym stężeniu hamuje zdolność do poruszania się gąsienic Heliotis zea
o Barwniki (żółte barwniki i czerwona oosporeina Beauveria bassiana i B. Hennela
o Aflatoksyny (Aspergillus flavus, Fusarium sp.) – nie powodują skutków letalnych, ale zmniejszają rozmiary ciała owada i osłabiają jego płodność
czynniki środowiska wpływające na rozwój enteropatogenów
o Pora roku o Temperatura o Światło o Wilgotność o Wiatr o Gleba o pH 5-8
Cordyceps
- W klasie Ascomycetes
- Głównie na obszarach tropikalnych i subtropikalnych (w klimacie umiarkowanym pasożytują np. na motylach, których gąsienice żerują na sośnie (C. militaris) i misecznikach (C. elavulata))
- Owocnikiem jest perytecjum
- Pasożyt wielu owadów (np. chrząszcze, muchówki, błonkoskrzydłe, pluskwiaki)
- Cecha charakterystyczna: ze sklerocjum w ciele owada wyrastają na zewnątrz maczugowate struktury (w nich wytwarzane są worki)
Torrubiella
- W klasie Acomycetes
- Częsta w strefie tropikalnej
- w Polsce występuje T. arachnophila – pasożyt pająków
- tworzą na ciele stawonogów podkładki z gęsto splecionych strzępek, na nich znajdują się perytecja
Hypocrella
- w klasie Ascomycetes
- Rejony tropikalne
- Pasożyt czerwców i mączlikowatych
- Strzępki – białe lub żółte
- Podkładki złocistożółte albo pomarańczowe
- Perytecja – jaskrawo zabarwione
Beauveria bassiana
Jeden z najczęściej występujących grzybów owadobójczych • Klasa Deuteromycetes • Biała muskardyna • Duży polimorfizm • W Polsce atakuje ok 80 gatunków owadów – chrząszcze, motyle, jedwabnika morowego, stonkę ziemniaczaną, gąsienice owocówki jabłkóweczki • Stosowana w walce z o Owocówką jabłkóweczką o Stonką ziemniaczaną o Pędrakami chrabąszczy o pluskwiakami
Metharhizium anisopliae
• zielona muskardyna
• Atakuje
o Szarka komośnika Bothynoderes punctiventris
o Jedwabnika morowego Bombyx mori
o Stonkę ziemniaczaną Leptinotarsa decemlineata
o Nałanka czarnego Anisophila austriaca
o Chrabąszcza majowego Melolontha melolontha
o Omacnicę prosowiankę Ostrinia nubilalis
• Stosowany w walce z komarami i opuchlakiem truskawkowcem Otiorhynchus sulcatus
Paecilomyces fumosoraseus
• Różowa muskardyna
• Atakuje
o Owocówkę jabłkóweczkę Laspeyresia pomonella
o Brudnicę nieparkę Lymantria dispar
o Białkę wierzbówkę Stilpnotia salicis
o Śmietkę kapuścianą Delia brassicae
• Używany głównie w szklarniach do zwalczania mączlika szklarniowego
Pasożytnictwo grzybów owadobójczych
Specyficzność • Atakowanie owadów społecznych • Wysoka odporność skoczogonków Collembola na grzyby owadobójcze • Nadpasożytnictwo • Niebezpieczeństwo dla człowieka
Ewolucja entomopatogenów
- Zwiększanie specjalizacji grzyba
- Wydłużanie czasu, w którym owad jest zarażony, ale jeszcze żyje – sprzężyki Agriotes i grzyb Zoophthora elateridiphaga)
- Zwiększenie infekcyjności
- Produkcja większej liczby zarodników
- Zwiększenie odporności na system odpornościowy owada
Jak można wykorzystać grzyby owadobójcze
- Walka ze szkodnikami roślin
* Walka z owadami – wektorami chorób ludzi i zwierząt
