zestawy z mikrobiologii.doc

Zestaw 1

1.       Miejsce organizmów w przyrodzie.

Trzy królestwa: zwierzęta, rośliny i Protista.

Zwierzęta (heterotrofy) odżywiają się gotowymi substancjami organicznymi, które wewnątrz ich ciała, w przewodzie pokarmowym, zostają rozdrobnione, strawione i wchłonięte. Przewód pokarmowy powstaje w czasie rozwoju embrionalnego w wyniku wpuklenia blastuli. W rozwoju ewolucyjnym zwierząt doszło więc do wytworzenia dużych, wewnętrznych powierzchni resorbujących. Według takiej zasady zbudowane są zwierzęta poczynając od jamochłonów (np. stułbia spośród Hydrozoa), aż do wyższych kręgowców.

Rośliny (autotrofy) charakteryzuje całkowicie odmienny sposób odżywiania i inny plan budowy. Syntetyzują one ze związków nie­organicznych substancje potrzebne do budowy organizmu i wykorzystują światło słoneczne jako źródło energii. Aktywne w fotosyntezie komórki i tkanki, zawierające barwniki absorbujące światło (chlorofile i karoteno-idy), są rozmieszczone na dużej powierzchni obwodowych warstw organizmu roślinnego. Inne ogólne różnice między roślinami i zwierzętami dotyczą obecności ścian komórkowych, zdolności do aktywnego poruszania się i zmiany pozycji w środowisku oraz zdolności do syntetyzowania różnych substancji.

Królestwo Protista grupuje te organizmy, które wyróżniają się spośród roślin i zwierząt brakiem morfologicznej specjalizacji, większość z nich są to bowiem organizmy jednokomórkowe. Na podstawie budowy komórki można podzielić Protista na dwie wyraźnie zróżnicowane grupy. Wyższe Protista pod względem budowy komórki przypominają komórki roślin i zwierząt — należą do Eukaryota. Grupa ta zawiera glony, grzyby i pierwotniaki. Niższe Protista obejmują bakterie (w tym sinice) i archeony — należą one do Prokaryota, a budowa ich komórek znacznie różni się od budowy komórek innych organizmów. Termin mikroorganizmy jest związany z niewielkimi rozmiarami wymienionych powyżej organizmów i odpowiada terminowi Protista. Wirusy to niekomórkowe cząstki, różniące się od wszystkich żywych organizmów brakiem zdolności do samood-tworzenia się i mogące namnażać się tylko w żywych komórkach. Podstawową, zdolną do życia, fizyczną jednostką żywych organizmów jest komórka. Jej istotne składniki są takie same we wszystkich organiz­mach; DNA, RNA, białka, lipidy i fosfolipidy są podstawowymi skład­nikami wszystkich komórek

Haeckel (1866) zaliczył wszystkie organizmy do trzech królestw: roślin, zwierząt i Protista. Opierając się na ewolucyjnej teorii Karola Darwina (1859), Haeckel powiązał znane wówczas rodzaje i gatunki roślin oraz zwierząt z punktu widzenia ich możliwego rozwoju ewolucyjnego. Na opracowanym przez siebie drzewie filogenetycznym (ryc. 1.1) próbował wykazać, jak współczesne organizmy mogły wyewoluować ze wspólnego pnia — „radix communis organismorum". Wydaje się jednak, że Haeckel nie miał zbyt jasnego poglądu na królestwo Protista.

Eukariota mają jądro (gr. karyon), które zawiera większą część genomu umieszczonego w zespole chromosomów. Chromosomy są replikowane w procesie zwanym mitozą. W chromosomach DNA jest połączony z zasadowymi białkami zwanymi histonami. W komórce eukariotycznej znajdują się też organelle, takie jak mitochondria i (w roślinach) chloroplasty, które zawierają małą część genomu w formie koliście zamkniętych cząsteczek DNA. Rybosomy eukariotyczne są stosunkowo duże (80S).

Prokariota nie mają wyodrębnionego jądra otoczonego błoną. DNA występuje w cytoplazmie jako koliście zamknięta cząsteczka. Ten pojedynczy chromosom zawiera wszystkie informacje niezbędne do odtworzenia komórki.  Ponadto w komórce może występować jedna lub więcej małych, kolistych cząsteczek DNA, zwanych plazmidami; te jednak nie są niezbędne. Komórka prokariotyczna nie zawiera wydzielo­nych organelli błonowych. Każdy podział wnętrza komórki na przedziały (kompartmentacja) jest mniej wyraźny niż u eukariotów. Rybosomy prokariotyczne są stosunkowo małe (70S). Właściwości prokariotycznych rybosomów i enzymów biorących udział w syntezie białek, jak i budowa ścian bakteryjnych, są podstawą selektywnego działania szeregu antybioty­ków.

2.       Grzyby: charakterystyka budowy, wzrostu i rozmnażani

Grzyby (gr. mykes, łac. fungus) są organizmami eukariotycznymi i podob­nie jak rośliny mają ścianę komórkową, tłuszcze gromadzą w wakuolach, pod mikroskopem widoczny jest przepływ cytoplazmy i nie mają (prawie nigdy) stadiów uwicionych. Nie zawierają one jednak barwników fotosyn-tetyzujących i są chemoorganoheterotrofami. Są tlenowcami i zdobywają energię dzięki utlenianiu związków organicznych. W porównaniu z roś­linami, które mają ciało zróżnicowane morfologicznie na łodygę, korzeń i liście, grzyby wykazują ograniczone zróżnicowanie morfologiczne i prawie brak zróżnicowania funkcjonalnego

Grzybnia wegetatywna. Grzybnia wegetatywna jest plechą (łac. thallus). Składa się ona ze strzępek o średnicy około 5 urn, wielokrotnie rozgałęzionych i wrastających w podłoże lub rozrastających się na jego powierzchni. Strzępki mają ścianę komórkową i cytoplazmę z or­ganellami komórkowymi. Strzępki mogą nie mieć przegród poprze­cznych (grzyby niższe) lub są podzielone septami na komórki (grzyby wyższe). Jednakże, nawet w strzępkach septowanych cytoplazma po­szczególnych komórek jest ciągła dzięki istnieniu centralnej pory w septach (ryc. 5. 1).

Cała strzępkowa plecha grzyba jest nazywana grzybnią (mycelium). W pewnych stadiach, zwykle w okresie przejścia w fazę rozmnażania płciowego lub bezpłciowego, grzybnia tworzy skupienia przypominające tkankę nazywaną plektenchymą. Typową plektenchymą jest miąższ owocników pieczarki. U grzybów wyższych grzybnia może także for­mować grubsze sznury, tzw. ryzomorfy, które służą do transportu substancji odżywczych.

Wzrost i rozmnażanie. Strzępki grzyba wydłużają się tylko w strefie wierzchołkowej (wzrost szczytowy). U większości grzybów każda część grzybni ma potencjalną możliwość rozwoju; mały fragment grzybni jest wystarczający jako inokulum do wytworzenia nowej plechy.

Formy i mechanizmy związane z rozmnażaniem grzybów są jednak niezmiernie zróżnicowane i są one uznawane za podstawowe w klasyfi­kacji. Wyróżnia się dwa typy rozmnażania, określane jako płciowe i bezpłciowe. Większość grzybów rozmnaża się oboma sposobami.

Bezpłciowo grzyby rozmnażają się głównie przez pączkowanie, fragmentację grzybni lub dzięki tworzeniu spor. Wytwarzanie spor jest najczęstszym i najbardziej zróżnicowanym sposobem reprodukcji. Konidia (zarodniki konidialne) są zwykle formowane z wierzchołkowych części strzępek powietrznych (np. u Penicillium, Aspergillus). Gdy zarodniki tworzą się wewnątrz sporangiów (tzn. zarodni), wówczas grzyby zalicza się do sporangiosporowych (np. Mucor, Rhizopus). U grzybów niższych zarodniki często są uwicione i nazywane wtedy zoosporami lub pływkami. Ich wić ma budowę typową dla wszystkich organizmów eukariotycznych; wyrasta ona z blefaroplastu i składa się z jedenastu równoległych włókien, z których dziewięć jest położonych peryferyjnie, a dwa — centralnie (9 + 2).

Rozmnażanie bezpłciowe charakterystyczne dla drożdży to pącz­kowanie; na komórce macierzystej powstaje uwypuklenie, do którego przemieszcza się jądro potomne, potem tworzy się ściana poprzeczna, a „wypączkowana komórka" może się oddzielić od komórki macierzystej. Rozmnażanie bezpłciowe może także następować przez fragmentację strzępki na pojedyncze komórki, nazywane także oidiami lub artrosporami (np. u Endomyces lactis). Niektóre grzyby tworzą także podobne, grubościenne komórki nazywane chlamydosporami. Są także drożdże (Schizosaccharomyces), które rozmnażają się przez podział jak bakterie.

Rozmnażanie płciowe. W zasadzie jest to, podobnie jak u wszystkich eukariotów, połączenie, czyli koniugacja dwu jąder komórkowych. U grzybów łączenie się jąder może następować w różnym czasie od pierwszego zetknięcia się strzępek macierzystych. W procesie płciowym można zwykle wyróżnić trzy fazy. Najpierw następuje plazmogamia, a więc łączenie się dwu protoplastów. Powstająca komórka zawiera dwa jądra. Ta para jąder, czyli dikarion, nie musi się natychmiast połączyć, a może pozostawać w stadium dikariotycznym w czasie kolejnych podziałów komórki, oba jądra dzielą się równocześnie (podział koniuga-cyjny). Łączenie się dwu haploidalnych jąder (kariogamia) może następować później, często dopiero w formującym się owocniku grzyba, a powstające jądro diploidalne jest zygotą. Po kariogamii zachodzi mejoza, podział redukcyjny przywracający haploidalną liczbę chromo­somów. Te trzy procesy, czy fazy: plazmogamia, kariogamia i mejoza mogą u niektórych grzybów następować niezwłocznie jeden po drugim, u innych zaś mogą one przebiegać w zupełnie różnych stadiach rozwojowych.

U grzybów niższych proces płciowy jest zapoczątkowany przez tworzenie gamet — komórek płciowych. Gdy gamety formujące się w męskich i żeńskich gametangiach są morfologicznie nierozróżnialne, nazywamy je izogametami. Gamety często tworzą się wewnątrz gametan-giów, które różnią się od siebie, wtedy męskie gametangium jest nazywane anteridium (plemnia), a żeńskie oogonium (lęgnia).

W zależności od sposobu przemieszczania się gamet i miejsca następowania plazmogamii mogą być wyróżniane poszczególne grupy grzybów. U grzybów niższych, zwłaszcza wodnych, obie gamety są uwiciowane (planogamety) i łączą się ze sobą poza gametangiami (tzn. po uwolnieniu się z gametangiów). U Oomycetes tylko gameta męska przemieszcza się do lęgni i zapładnia komórkę jajową. Zygomycetes charakteryzuje gametangiogamia, łączenie całych wielojądrowych game­tangiów i formowanie zygoty (cenozygoty).

Gdy męskie i żeńskie gametangia tworzą się na tej samej grzybni wegetatywnej (powstałej z jednego zarodnika), grzyb jest uznawany za homotalliczny, czyli hermafrodytyczny (monozoiczny). Grzyby heterotal-liczne, czyli dizoiczne, mają plechy męskie lub żeńskie. Grzyby homotal-liczne mogą być samozgodne płciowo (autogamiczne). Jednak u niektórych grzybów homotallicznych następuje samozapłodnienie z powodu działania fizjologicznego inhibitora, który jest odpowiedzialny za samoniezgodność (inkompatybilność). To sprawia, że np. u Neurospora, chociaż jest homotalliczna, przy zapładnianiu niezbędne jest połączenie (koniugacja) dwu różnych typów plech (+ i —); plechy należące do tego samego typu są niezgodne płciowo.

3.       Najważniejsze gatunki Enterobacteriaceae.

Enterobacteriaceae to organizmy wytwarzające kwas podczas fermentacji zebrane w grupę charakteryzującą się wytwarzaniem swoistego produktu, który niekoniecz­nie musi być produktem głównym. Jest nim kwas mrówkowy. Końcowymi produktami fermentacji mogą być też inne kwasy. Ten typ fermentacji zwany jest fermentacją mrówkową lub fermentacją kwasów miesza­nych. Ponieważ niektórzy przedstawiciele wspomnianej grupy zamieszkują układ pokarmowy, zaklasyfikowano ją jako rodzinę Enterobacteriaceae. Rodzina ta charakteryzuje się następującymi cechami: są to gramujemne pałeczki, perytrychalnie urzęsione, ruchliwe i nie wytwarzające przetrwal-ników. Są fakultatywnymi tlenowcami, wytwarzają heminy (cytochromy i katalazę) i mogą uzyskiwać energię tlenowo (oddychanie) lub beztlenowo (fermentacja). Nie mają skomplikowanych wymagań odżywczych i potrafią rosnąć na prostych podłożach syntetycznych zawierających sole mineralne, węglowodan i sole amonowe. Wszyscy przedstawiciele tej rodziny fermentują glukozę z wytworzeniem kwasów. Znaczenie Enterobacte-riaceae w problemach sanitarnych i higienie, jak również w badaniach eksperymentalnych, uzasadnia szczegółowy opis niektórych przedstawicieli tej rodziny.

Ważne gatunki. Escherichia coli zamieszkuje jelita. Gatunek ten nie jest bynajmniej najliczniej reprezentowany, gdyż znacznie liczniejsi są przed­stawiciele Bacteroides i Bifidobacterium. Escherichia coli potrafi jednak żyć poza układem pokarmowym i jej obecność można łatwo wykazać np. w wodzie. Gatunek ten zatem bardzo dobrze nadaje się do stwierdzenia zanieczyszczenia wody pitnej kałem.

Proteus vulgaris również występuje w normalnej florze jelitowej, lecz równocześnie jest szeroko rozpowszechniony w glebie i wodach. Organizm ten ma tendencję do zmiany kształtu (stąd jego nazwa), jest bardzo ruchliwy i na płytkach agarowych wykazuje zdolność do tzw. wzrostu „rozpełzliwego" prowadzącego do szybkiego zarastania całej powierzchni.

Gatunek Enterobacter aerogenes jest uważany za bliźniaczo podobny do Escherichia coli. Często występuje w glebie i jest określany jako typ coli. Jak sugeruje nazwa tego organizmu, wytwarza on duże ilości gazu. Różni się od E. coli jedynie kilkoma cechami biochemicznymi (tab. 8.3 i 8.4).

Serratia marcescens (wcześniej Bacterium prodigiosium) można uważać za odmianę Enterobacter wytwarzającą pigment.

Rodzaj Erwinia obejmuje gatunki patogenne dla roślin. Atakują one liście, łodygi i korzenie, powodując procesy gnilne wywoływane na skutek wydzielania pektynazy.

Klebsiella pneumoniae różni się od Enterobacter jedynie obecnością grubszej otoczki oraz brakiem ruchu. Powoduje ona bardzo groźne (o wysokiej śmiertelności) zapalenie płuc.

Salmonella typhimurium jest najbardziej rozpowszechniona spośród bakterii powodujących nieżyt żołądka i jelit, czyli tzw. zatrucia pokarmowe. Efekt toksyczny jest spowodowany zapaleniem błon śluzowych na skutek uwalniania lipopolisacharydu; nie zachodzi inwazja układu krążenia. Salmonella typki jest czynnikiem sprawczym epidemicznego duru brzusz­nego. Shigella dysenteriae oraz szczepy pokrewne powodują czerwonkę i biegunkę.

Vibrio cholerae powoduje cholerę, chorobę o charakterze epidemicz­nym. Bakteria ta nie należy do Enterobacteriaceae, ale przypomina tę grupę pod względem metabolizmu. Vibrio cholerae namnaża się w układzie pokarmowym. Przylega do nabłonka jelit, nie penetrując do wnętrza komórek. Enterotoksyna wytwarzana przez V. cholerae jest białkiem wiążącym się do swoistych receptorów na komórkach nabłonka i powo­dującym ucieczkę jonów sodu, dwuwęglanu i chloru do światła jelita.

Yersinia pestis powoduje dżumę. Yersinia nie należy do rodziny Enterobacteriaceae, ale fakultatywnie beztlenowym typem wzrostu oraz sposobem fermentacji przypomina bakterie z tej rodziny. Naturalnym rezerwuarem tej bakterii są dziko żyjące gryzonie, głównie szczury. Bakterie są przenoszone na ludzi za pośrednictwem zakażonych pcheł lub innych zewnętrznych pasożytów i powodują dżumę gruczołową lub płucną. Infekcje szybko kończą się śmiercią z powodu nagłego tempa wzrostu bakterii w organizmie oraz intensywnego wytwarzania przez nie toksyn.

Zestaw 3

1.       Udział mikroorganizmów, obieg podstawowych pierwiastków przyrodzie.

Żywe organizmy można podzielić na trzy grupy na podstawie roli, jaką pełnią w gospodarce przyrody. Rośliny wykorzystują energię słoneczną do wytwarzania materii organicznej z dwutlenku węgla. Nazywane są one producentami. Zwierzęta zaś są konsumentami; wykorzystują większą część pierwotnej biomasy do syntezy substancji budujących ich własne ciała. Ostatecznie zarówno rośliny, jak i zwierzęta podlegają procesom degradacji, w których materia organiczna zostaje z powrotem przekształ­cona w związki nieorganiczne. Głównymi uczestnikami tego procesu, zwanego mineralizacją, są bakterie i grzyby. Działają one jako czynniki degradacyjne w gospodarce przyrody. Biopierwiastki podlegają więc procesom cyklicznym. Przedstawiamy tu krótko obieg węgla, azotu, fosforu i siarki.

              Obieg węgla. Udział mikroorganizmów w obiegu węgla to najważniejsza rola, jaką odgrywają one w podtrzymywaniu życia na Ziemi. Dokonują one mineralizacji związków organicznych węgla wytwarzanych w czasie fotosyntezy i tym samym utrzymują równowagę w obiegu tego pierwiastka

Powietrze atmosferyczne zawiera niewiele ponad 0,03% dwutlenku węgła (12 umol/l). Aktywność fotosyntetyczna roślin zielonych jest tak wielka, że cały dwutlenek węgla zawarty w powietrzu zostałby wyczerpany w ciągu 20 lat. Jest to dość krótki okres w skali życia ludzkiego; szacuje się, że źródła energii i węgla na Ziemi powinny wystarczyć na następne 1000-3000 lat. Zapas dwutlenku węgla znajdujący się w samych oceanach starczyłby na 2000 lat.

Gdyby niższe zwierzęta i mikroorganizmy stale nie uzupełniały rezerw CO2 przez mineralizację związków organicznych, rośliny zielone musiałyby wkrótce zaprzestać jego wiązania. Tak więc bakterie i grzyby w glebie odgrywają nie mniej ważną rolę w gospodarowaniu materią na Ziemi, niż rośliny zielone. Wzajemna zależność wszystkich form życia na naszej planecie jest najlepiej widoczna właśnie w obiegu węgla.

W biochemicznych procesach fotosyntetycznego wiązania CO2 przez rośliny powstają przede wszystkim cukry i związki pokrewne. Większość dwutlenku węgla związanego w postaci wielocukrów gromadzi się przejściowo w drzewach i trawach. Prawie 60% CO2 związanego przez rośliny lądowe wchodzi w skład drewna. Drewno składa się w 75% z polisacharydów (celuloza, hemiceluloza, skrobia, pektyny i arabino-galaktan) i tylko nieco powyżej 20% — z ligniny i lignanów, natomiast zawartość białka jest bardzo mała (1%). W trawach i innych roślinach zielnych zawartość wielocukrów jest nawet większa.

Fakt, że polisacharydy są głównym produktem asymilacji roślin, wskazuje na znaczenie cukrów jako substancji odżywczych dla wszystkich organizmów, które zależą od organicznych składników pokarmowych. Glukoza i inne cukry w formie polimerów stanowią więc nie tylko główną masę substancji organicznej ulegającej procesowi mineralizacji w przyro­dzie, ale także, jako monomery, stanowią główne składnik.

Obieg azotu. Głównym związkiem w obiegu azotu jest amoniak (ryc. 1.5). Jest to produkt końcowy degradacji białek i aminokwasów, które trafiają do ziemi w postaci martwych zwierząt i szczątków roślinnych. W dobrze przewietrzanych glebach amoniak podlega nitryfikacji. Bakterie z rodzaju Nitrosomonas i Nitrobacter utleniają amoniak do azotynów i azotanów. Zarówno amoniak, jak i azotany mogą być wykorzystane i przyswojone przez rośliny jako źródło azotu. W warunkach beztlenowych w obecności azotanu zachodzi denitryfikacja. Pewne bakterie mogą wykorzystywać azotany jako akceptory wodoru, a więc mogą oddychać wykorzystując NO3- zamiast O2 („oddychanie azotanowe"). Denitryfikacja powoduje straty azotu w glebie. Inne bakterie są zdolne do wiązania wolnego azotu. Niektóre bakterie wiążące wolny azot są organizmami wolnożyjącymi w glebie, podczas gdy inne żyją w symbiozie z roślinami wyższymi. Tak więc w obiegu azotu uczestniczą, obok zwierząt i roślin, przede wszystkim bakterie.

Obieg fosforu. Fosfor występuje w biosferze prawie wyłącznie w postaci fosforanów. W żywych organizmach kwas fosforowy jest włączany jako ester fosforanowy. Estry te po śmierci organizmu są łatwo hydrolizowane, co prowadzi do uwolnienia jonów fosforanowych. Rośliny asymilują fosfor z gleby w postaci jonów kwasu fosforowego (H3PO4). Stężenie tych jonów jest często bardzo małe. Ograniczenie wzrostu organizmów jest przede wszystkim spowodowane akumulacją nierozpuszczalnych związków fosforanowych, takich jak apatyt, lub kompleksów metali ciężkich, nie zaś całkowitym brakiem fosforu w glebie. Rezerwy fosforanów są duże i jest nieprawdopodobne, by w najbliższej przyszłości miały ograniczyć produk­cję rolniczą; jednak fosforany muszą być przeprowadzone do form rozpuszczalnych. Fosforany z nawozów często dostają się do potoków i jezior. Ponieważ stężenie żelaza, wapnia i aluminium w takich wodach jest raczej małe, fosforany pozostają w formie rozpuszczalnej, co prowadzi do eutrofizacji tych wód, a zwłaszcza sprzyja rozwojowi sinic wiążących azot. W glebach natomiast, fosforany są często szybko wytrącane w postaci nierozpuszczalnych soli

Obieg siarki. Siarka występuje w żywych komórkach głównie w postaci grup sulfhydrylowych w aminokwasach zawierających siarkę (metionina, cysteina, homocysteina). Stanowi ona około 1% suchej masy. Grupy sulfhydrylowe są odłączane przez desulfurazy w czasie beztlenowej degradacji materii organicznej; tworzenie siarkowodoru w czasie beztlenowej mineralizacji jest określane jako desulfurylacja. Większa część siarkowodoru występującego w przyrodzie jest jednak wytwarzana w czasie dysymilacyjnej redukcji siarczanów przez bakterie redukujące siarczany (ryc. 9.4). Beztlenowe bakterie fototroficzne (Chromatiaceae: rozdz. 12) mogą utleniać siarkowodór, wytworzony w beztlenowych osadach dennych, do elementarnej siarki i siarczanów. Jeśli siarkowodór dotrze do miejsc zawierających tlen, może zostać utleniony do siarczanów, bądź abiotycznie, bądź przez tlenowe bakterie siarkowe (rozdz. 12.1, 12.1.2). Siarka, niezbędna roślinom i mikroorganizmom do syntezy aminokwasów siarkowych, jest otrzymywana w wyniku asymila-cyjnej redukcji siarczanów. Zwierzęta natomiast są uzależnione od pobierania związków zawierających zredukowaną siarkę w pożywieniu (ryc. 1.6).

2.       Ascomycetes: Plectomycetes, Pyrenomycetes, Discomycetes.

Ascomycetes łącznie z Basidiomycetes tworzą grupę grzybów właściwych (Eumycetes), czyli grzybów wyższych. Charakteryzują się grzybnią septowaną i wytwarzaniem konidiów (konidiospor). Nie formują one żadnych uwicionych komórek.

...