mikro przemysłowa.docx

Mikrobiologia przemysłowa – opracowanie pytań egzaminacyjnych

1.      Typy odżywiania się mikroorganizmów.

Wśród bakterii możemy spotkać organizmy reprezentujące każdy z typów odżywiania występujący w przyrodzie. Większość z nich jest zaliczana do heterotrofów, czyli organizmów cudzożywnych. Wśród form samożywnych (autotroficznych) znajdują się bakterie chemosyntezujące oraz fotosyntezujące. Te pierwsze do syntezy związków odżywczych wykorzystują energię pochodzącą z utleniania pewnych związków nieorganicznych np. amonowych jak Nitrosomonas, azotynów np. Nitrobacter, siarkowych – Thiobacillus, czy wodorowych, jak Pseudomonas facilis. Bakterie fotosyntetyzujące korzystają natomiast z energii świetlnej. W grupie bakterii przeprowadzających fotosyntezę są takie które uzyskują atomy wodoru z siarkowodoru (beztlenowe) oraz te, które tak jak rośliny czerpią wodór z wody (tlenowe np. sinice).

Podział mikroorganizmów w oparciu o sposób odżywiania:

1.      źródło węgla

§          CO2 – autotrofy (przy czym nie są zdolne do czerpania C z innych źródeł; samożywne)

§          związki organiczne – heterotrofy (cudzożywne)

2.      źródło energii

§          światło (promieniowanie słoneczne) – fototrofy

§          związki chemiczne – chemotrofy

3.      źródło (donor) elektronów w procesie biosyntezy

§          związki nieorganiczne (H2, NH3, H2S, CO, związki Fe i in.) – litotrofy

§          związki organiczne – organotrofy

2.      Podział mikroorganizmów w oparciu o sposób odżywania się.

Opis sposobu odżywiania się mikroorganizmów wymaga ustalenia:

Ø      źródła węgla do syntezy składników komórkowych

Ø      źródła energii metabolicznej – energia jest niezbędna dla komórek do wykonania pracy chemicznej, np. biosynteza (anabolizm), pracy osmotycznej (transport przez błony), pracy mechanicznej czy pracy fizycznej.

Ø      donora elektronów i protonów w układzie przenośników, np. transport przez błony, przemiany energetyczne w komórce

Ze względu na sposób odżywiania się mikroorganizmy dzielimy na:

§          fotoautotrofy

§          chemolitotrofy

§          chemoorganotrofy

Fotoautotrofy (fotolitoautotrofy) – organizmy samożywne wykorzystujące energię słoneczną. Źródłem węgla dla tej grupy jest CO2, źródłem elektronów są związki nieorganiczne.

Do fotoautotrofów zaliczamy:

§     beztlenowe bakterie fototroficzne, których proces fotosyntezy nie uwalnia do środowiska tlenu, np. purpurowe bakterie siarkowe

§     tlenowe mikroorganizmy fototroficzne, które w obecności światła wytwarzają tlen – takimi właściwościami cechują się sinice, glony

Chemotrofy – mikroorganizmy, które uzyskują energię w wyniku przemian oksydoredukcyjnych organicznych lub nieorganicznych związków chemicznych. Źródłem węgla dla tej grupy może być CO2 lub związki organiczne. Chemotrofy dzielimy na:

Ø      Chemolitotrofy (chemoautotrofy) – organizmy korzystające z energii zawartej w zredukowanych związkach organicznych, np. N, S, Fe lub energii zawartej w H2. Źródłem elektronów mogą być zredukowane związki, takie jak NH3, CO, H2S, S, Fe2+. Źródłem węgla może być CO2 lub związki organiczne. Do tej grupy zaliczamy większość archeonów, bakterie nitryfikacyjne, bakterie wodorowe, żelaziste i wiele innych, szczególnie często występujące w środowiskach wody i gleby.

Ø      Chemoorganotrofy (organotrofy, chemoorganoheterotrofy) – mikroorganizmy, które wykorzystują związki organiczne jako źródło węgla, energii i elektronów (donory wodoru). Należą tutaj wszystkie grzyby (drożdże i pleśnie), większość bakterii, pierwotniaki oraz zwierzęta.

3.      Wyjaśnić pojęcia: fotolitotrofia, chemolitotrofia i organotrofia.

à pyt. 2

4.      Oddychanie tlenowe mikroorganizmów.

Oddychanie tlenowe jest procesem katabolicznym, w którym utlenianie związków organicznych lub nieorganicznych jest sprzężone z syntezą ATP w procesie fosforylacji oksydacyjnej, a końcowymi akceptorami elektronów są związki egzogenne. Energia zawarta w substratach oddechowych jest stopniowo uwalniana w serii sprzężonych reakcji utleniania i redukcji, którym towarzyszy transport elektronów w łańcuchu oddechowym.

W skład łańcucha oddechowego wchodzą co najmniej dwa kompleksy enzymów – dehydrogenaza i końcowa oksydoreduktaza. W bardziej kompletnych łańcuchach występują dodatkowe enzymy lub białka przenoszące elektrony. U Eucaryota łańcuch jest umiejscowiony w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. U Procaryota – w błonach mezosomów w błonie cytoplazmatycznej.

W oddychaniu tlenowym końcowym akceptorem elektronów jest tlen. Głównym szlakiem metabolicznym jest cykl Krebsa, w którym pirogronian jest cyklicznie utleniany i ulega całkowitej degradacji do CO2 (czyli mineralizacji). Oddychanie tlenowe daje mikroorganizmom większy zysk energetyczny niż beztlenowe. W samym cyklu Krebsa zysk energetyczny jest znikomy, nie kończy on jednak oddychania tlenowego. Elektrony przekazywane są dalej do łańcucha oddechowego, gdzie następuje stopniowy odzysk energii.

Pełny łańcuch oddechowy funkcjonuje tylko u Eucaryota, u Procaryota są najczęściej znacznie zredukowane przenośniki elektronów (np. tylko jeden cytochrom).

Wśród tlenowców są takie mikroorganizmy, które wykorzystują związki nieorganiczne jako akceptory elektronów (chemolitotrofy). Podczas takiej przemiany dochodzi do utlenienia nieorganicznych związków mineralnych, czemu towarzyszy wydzielenie pewnej ilości energii.

Grupa tlenowców obejmuje drobnoustroje, dla których obecność tlenu jest niezbędna do wzrostu. Do tej grupy należy wiele gatunków drożdży i bakterii (Thiobacillus, Bacillus, Pseudomonas) oraz większość pleśni. Liczne mikroorganizmy należące do tlenowców są wykorzystywane w procesach biotechnologicznych np. do produkcji kwasów organicznych, antybiotyków. Są to pleśnie z rodzaju Aspergillus, Penicillium, promieniowce. Zapotrzebowanie na tlen hodowli mikroorganizmów jest uzależnione od rodzaju stężenia źródeł węgla i energii, fazy hodowli, gęstości komórek i ich stanu fizjologicznego.

5.      Proces fermentacji.

Liczne bakterie i niektóre grzyby mikroskopowe (względne i bezwzględne beztlenowce) posiadają zdolność do przeprowadzania procesu utleniania, nazywanego fermentacją. W fermentacji substrat oddechowy zostaje rozbity i przekształcony, po czym jeden produkt ulega utlenianiu, a drugi redukcji. Energia jest odkładana w ATP, a ten ostatni tworzy się w drodze fosforylacji substratowej. Wyjątkowo fermentacje mogą przebiegać bez wykorzystania fosforylacji substratowej, kiedy ATP powstaje kosztem energii pompy wodorowej lub sodowej.

Wydajność energetyczna fermentacji jest kilkanaście razy mniejsza niż oddychania tlenowego. Do uzyskania tej samej ilości energii co w oddychaniu tlenowym, w czasie fermentacji bakteria musi zużyć wiele razy większą ilość substratu. Produktem fermentacji, oprócz energii zmagazynowanej w ATP, są związki organiczne bardziej zredukowane oraz bardziej utlenione niż substrat.

Bakterie, fermentując, modyfikują silnie środowisko, zużywając dużo substratu i gromadząc duże ilości produktów końcowych – głównie związków organicznych, mogą służyć jako źródło węgla i energii dla innych bakterii. Przy dużych stężeniach substratu i dominacji bakterii fermentujących dochodzi do kumulacji produktów, zwłaszcza kwasów i gazów.

Glukoza przekształcana do pirogronianu, który ulega fermentacji:

1.      mlekowej (kwas mlekowy – bakterie mlekowe)

2.      alkoholowej (etanol – drożdże, Zymomonas)

3.      masłowej i acetonowo-butanolowej (kwas masłowy, butanol, aceton, CO2, izopropanol – Clostridium)

4.      propionowej (kwas propionowy, szczawiooctowy, bursztynowy, CO2 – bakterie propionowe)

5.     

mieszanej (kwas mrówkowy, kwas octowy, etanol, acetoina, butanodiol, CO2, H2 – Enterobacteriaceae) (np. różne dehydrogenazy)

Znaczącym celem przemiany pirogronianu do produktu końcowego jest regeneracja, czyli utlenienie zredukowanego NAD-u podczas II etapu. Zredukowany metabolit, który bez udziału tlenu nie może być dalej metabolizowany, jako produkt niepotrzebny komórce zostaje wydzielony do środowiska. Proces fermentacji jest charakterystyczny dla organizmów względnie beztlenowych – drożdże, bakterie mlekowe oraz bezwzględnych beztlenowców – np. bakterie z rodzaju Clostridium i Bacteroides. Produkty końcowe są zależne od wyposażenia enzymatycznego. Jeżeli drobnoustroje mają skąpe wyposażenie, to powstaje produkt homogenny, np. kwas mlekowy, jeśli mają bogaty aparat enzymatyczny, powstaje mieszanina produktów (fermentacja heterogenna).

6.      Charakterystyka bakterii chemolitotroficznych.

Chemolitotrofy są liczną grupą. Występują głównie w wodzie i glebie. Wykorzystują energię zawartą w zredukowanych związkach chemicznych i odzyskują ją w wyniku utleniania związków.

1)      Bakterie utleniające wodór – bakterie wodorowe (np. Hydrogenomonas)

H2 + ½ O2 à H2O + 1 ATP

2)      Bakterie utleniające amoniak (np. Nitromonas)

NH4+ + 1,5 O2 à NO2- + H+ + H2O + 2 ATP

3)      Bakterie utleniające azotany (np. Nitrobacter)

NH4+ + ½ O2 à NO3- + 1 ATP

4)      Bakterie utleniające nieorganiczne związki siarki, bakterie siarkowe (np. Thiobacillus)

HS- + H+ ½ O2 à S0 +H2O + 2 ATP

S0 + 1½ O2 + H2O à SO42- +2 H+ +1 ATP

5)      Bakterie utleniające jony żelazowe – bakterie żelaziste (Ferrobacillus)

Fe2+ +H+ + ¼ O2 à Fe3+ + ½ H2O + 1 ATP

Niektóre chemolitotrofy są wyspecjalizowane w sposobie uzyskiwania energii (np. Nitrosomonas – wyłącznie utlenianie NH3), inne mogą wykorzystywać kilka nieorganicznych donorów elektronów (np. Acidithiobacillus ferrooxidans – związki siarki, żelaza (II) i wodoru).

7.      Oddychanie beztlenowe mikroorganizmów.

Końcowymi akceptorami elektronów są inne niż tlen pierwiastki lub utlenione związki nieorganiczne i organiczne (siarka, azotany, tlenki azotu, siarczany, chlorany). Zależnie od rodzaju akceptora mówimy o oddychaniu azotanowym, siarczanowym, fumaranowym.

W przypadku oddychania beztlenowego końcowym akceptorem elektronów mogą być związki organiczne utlenione bądź związki nieorganiczne utlenione, które w wyniku przeniesienia elektronów ulegają redukcji do określonych związków, np. CO2 do CH4. Określony typ oddychania beztlenowego przyjmuje nazwę od związku, który powstaje bądź jest substratem w danym procesie.