Soluhengitys & ”trofit”, kasvuun vaikuttavat tekijät Mikrobiologia TF00AA22-2003 Soluhengitys & ”trofit”, kasvuun vaikuttavat tekijät H. Ojamo & C. Fortelius

Soluhengityksestä Aineenvaihdunta: energian (ATP) tuotto ja solun synteesireaktioiden (anabolia) lähtöaineiden tuotto Aerobeilla happi toimii aineenvaihduntareaktioissa vapautuneiden elektronienvastaanottajana (elektroniakseptori) Metanogeeneilla esim. CO2 toimii elektronien (ja vedyn) vastaanottajana (= anaerobinen soluhengitys); metanogeenit ovat erikoisia kemolitotrofeja (= saavat energiansa epäorgaanisista yhdisteistä) hapettamalla anaerobisesti molekulaarista vetyä (metanogeenien merkityksestä luonnossa kts. myöhemmin syntrofia –käsite) 4 H2 + CO2 --- > CH4 + 2H2O Metanogeeneilla elektroneja siirtävät entsyymit sisältävät ainutlaatuisia koentsyymejä (kofaktoreja) = pieni orgaaninen yhdiste, joka muodostaa toimivan entsyymin sitoutumalla entsyymin proteiiniosaan (apoentsyymi). Tällöin muodostuu täydellinen entsyyminä aktiivisesti toimiva holoentsyymi.

Soluhengityksestä Epäorgaaniset yhdisteet soluhengityksessä

Eri ”trofit”

Eri ”trofit” Kemotrofit Fototrofit Autotrofit Heterotrofit saavat energiansa kemiallisista yhdisteistä Fototrofit saavat energiansa auringon valosta Autotrofit CO2 C-lähteenä Heterotrofit 0rgaaniset yhdisteet C-lähteenä Fotoautotrofit energia auringon valosta; CO2 hiililähteenä (kasvit, levät, osa fotosynteettisistä bakteereista) Fotoheterotrofit energia auringon valosta; org. hiililähteet (osa fotos. bakteereista ja levistä) Kemoautotrofit kemialliset energialähteet CO2 hiililähteenä (jotkut bakteerit) Kemoheterotrofit orgaaniset hiililähteet (eläimet, protozoat, fungit ja pääosa bakteereista)

Ympäristötekijöiden vaikutus mikro-organismien kasvuun Ympäristöolosuhteet vaikuttavat paljon siihen, kasvaako tietty organismi tietyssä paikassa Tärkeimmät ympäristötekijät ovat kasvualusta (mitkä ravinteet saatavana) lämpötila, pH, kosteus, valo ja ympäristön osmoottinen paine (suolojen, ionien läsnäolo), kaasutila

Lämpötila Mikrobit jaetaan kolmeen ryhmään kasvu- lämpötilan perusteella: - psykrofiilit -5 - 20 C - mesofiilit 10 - 45 C - termofiilit 40 C ->

Lämpötila mesofiilit kasvavat parhaiten 20…45 oC:ssa psykrofiilien optimi < 15 C ja max. < 20 C psykrotoleranttien optimi > 20 C; mutta kasvavat myös << 20 C termofiilien optimi 45…80 C hypertermofiilien optimi > 80 C esim. E. coli (mesofiili) optimi 39 C min 8 C – max 48 C

pH Mikrobit jaetaan kolmeen ryhmään kasvu- pH:n perusteella: - asidofiilit 0 - 7 -neutralofiilit 3 - 10 - alkalofiilit 7 - 14

pH asidofiilit/alkalofiilit ovat ekstremofiilejä; muuten: bakteerit yleensä pH 5…9 maitohappobakteerit 3.5 … Thiobacillus spp. 1… hiivat pH 2…8 homeet pH 1.5 … 8

Veden aktiivisuus, aw Liuoksen, aineen, esineen tms. veden aktiivisuus, aw–arvo, kertoo kuinka paljon vettä on biologisesti käytettävissä. aw–arvo lasketaan jakamalla liuoksen kanssa tasapainossa olevan ilman höyryn-paine/puhtaan veden höyrynpaine. Esimerkiksi merivedelle: [NaCl] n. 3 % => aw = 0.98

Suolan vaikutus Isotonisen liuoksen suolapitoisuus on sama kuin solun Hypertonisen liuoksen suolapitoisuus on korkeampi kuin solun ja solu “vuotaa vettä” ja kuivuu Hypotonisen liuoksen suolapitoisuus on pienempi kuin solun ja solu turpoo

Veden aktiivisuus, aw osmooosi-ilmiö: vesi diffundoituu korkeammasta pitoisuudesta alempaan halotolerantit ja halofiilit (sietävät/vaativat > 1 % [NaCl]) ekstremofiileilla halofiileilla optimi 15…30% [NaCl] osmofiilit pitävät korkeista sokeripitoisuuksista xerofiilit pitävät kuivista olosuhteista (= vähän vettä)

Kosteus Absoluuttinen kosteus on esim. vesihöyryn massan suhde joko kuivan tai kostean ilman kokonaistilavuuteen. Yksikkönä käytetään grammoja vettä kuutiometrissä ilmaa (g/m^3). Absoluuttisella kosteudella on yläraja, kyllästyskosteus, joka määrittelee, paljonko vesihöyryä ilmassa voi olla kussakin lämpötilassa. Lämmin ilma voi sisältää enemmän vesihöyryä kuin kylmä. Suhteellinen kosteus on todellisen vesihöyrynpaineen ja kyllästyshöyrynpaineen välinen suhde tietyssä lämpötilassa. Se kertoo montako prosenttia absoluuttinen kosteus on vallitsevan lämpötilan kyllästyskosteudesta.

Kosteus Suhteellinen kosteus vaikuttaa haihtumisnopeuteen ja erilaisten materiaalien vesipitoisuuteen kuivausnopeuteen. Esim. hygroskooppisia aineita, kuten paperia, voi absorboida paljon vettä ja siten muodostaa hyvää kasvualustaa mikro-organismeille.

Kosteus Ympäristön suhteellisen kosteuksen vaikutus paperin vesipitoisuuteen (Monte & Tonolo, 1969)

Ilmakehän ja ympäristön kaasutila Ilmassa pääosin N2 (78 %) ja O2 (21 %) Ympäröivän kaasutilan koostumus vaikuttaa mikrobikasvuun: O2 : hapellisessa tilassa kasvavat aerobiset mikrobit hapettomassa tilassa anaerobiset mikrobit Mikrobit käyttävät happea erilaisissa hapetus- pelkistysreaktioissa Aerobisten ja anerobisten mikrobien välimuoto on fakultatiiviset aerobit ja anerobit, ne eivät ole niin ehdottomia hapen suhteen ja kestävät pieniä happipitoisuuksia

Happi aerobit/anaerobit/fakultatiivit/mikroaerofiilit aerobit vaativat happea kasvuunsa ja kasvavat parhaiten, kun atmosfääri = ilmakehä (n. 21 % happea) anaerobit eivät siedä happea; eri lajeilla herkkyys hapelle kuitenkin vaihtelee; samoin vaatimukset hapetus/pelkistys-potentiaalin (Eh (mV)) suhteen fakultatiivit muuttavat käyttäytymistään (metaboliaa eli aineenvaihduntaa) sen mukaan onko happea läsnä vai ei mikroaerofiilit kasvavat parhaiten, kun happea < ilmakehässä kasvatus/viljely nesteissä (pullot ja fermentorit) tai agarilla (maljat, vinopinnat, pistoviljelmät); kaasukehän koostumuksen säätö

Ilmakehän ja ympäristön kaasutila N2 : hyvin harvat mikrobit pystyvät sitomaan molekylaarista typpeä ainoastaan - typpisitovat bakteerit kuten Nitrosomonas, Nitrobacter - syanobakteerit (“sinilevät”) Saastunut ilma sisältää NOx ja SO2 jotka vaikuttavat haitallisesti mm. rakennuksiin ja historiallisiin monumentteihin. Nämä kaasut ovat kemiallisesti reaktiivisia ja laskevat pH:ta

Ilmakehän ja ympäristön kaasutila CO2 : hiilidioksidi syntyy respiraation (soluhengityksen) kautta, mutta myös esim. fossiilisten aineiden polttossa (osa kasvihuoneilmiötä) fotosynteesin aikana kasvit sitovat sitä => kun ilmakehän CO2 –pitoisuus kasvaa, myös fotosynteettisten organismien kasvu kiihtyy (levät ym.) Hiilidioksidi reagoi veden kanssa muodostaen HCO3 josta seuraa mm esineiden ja rakennusten ennenaikaista vanhentumista ja rapautumista

Valo Kaikki fotosynteettiset organismit vaativat valoa kasvakseen Ei-fotosynteettiset reagoivat eri tavalla valoon, esim.: kasvun inhibointi sekundäärisia reaktioita kuten entsyymien foto-oksidaatio itiöinnin aktivointi monien hyönteisten ja mikro-organismien kasvu kirjastoissa aktivoituuu pimeässä

Valo Tärkeimmät ekologiset valoparametrit Laatu (aallonpituus; väri) Määrä (voimakkuus) Vaikutusaika Klorofylli ei pysty absorboimaan vihreätä valoa. Toiset pigmentit, kuten fykoerytriini ja fykosyaniini, täydentää klorofyllia. UV-säteily voi indusoida molekyylien, mm DNAn, hajoamista solussa ja siten vahingoittaa organismin.

Valo Tumma pigmentti suojaa haitalliselta valosäteilyltä, vrt syano-bakteerien tummentuminen auringonvalon vaikutuksen johdosta. Punainen valo ja IR-säteily kuumentavat, lämpö voi olla hyödyllistä tai haitallista organismeille. Fotoperiodismi: pimeiden ja valoisten aikajaksojen vaihtelu vaikuttaa hormonituotantoon, morfogeneesiin, toisten organismien kasvusuuntaan ja liikkeisiin, respiraatioon jne.

Valo Eri syanobakteerien ja levien valoabsorptio eri aallonpituuksilla (Stanier, Douduroff, Adelberg, 1970)

Biofilmit Biofilmi on pintaan kiinnittyneitä mikrobi- kasvustoja. Pintaan kiinnittyneet mikrobisolut ovat vähemmän herkkiä myrkyille kestävät parem- min kuivuutta ja kuumuutta sekä säteilyä -> ovat vaikeita tuhota. Luonnossa suurin osa mikrobeista on biofilmeissä.

Biofilmit Biofilmin (lähinnä) bakteerit tarttuvat pinnoille ja tuottavat ympärilleen limaa tai limakapselia (esim. polysakkaridia). Lima suojaa bakteereita epäsuotuisilta olosuhteilta ja mikrobisidisiltä aineilta. Biofilmin muodostuminen on ongelma esimerkiksi viemäriputkissa ja monissa teollisissa prosesseissa, esim. paperin valmistuksessa paperikoneen märkäpäässä Jos myrkyt eivät tehoa, voidaan esim. suosia kilpailevien ei limaa tuottavien mikrobien kasvua ns. competitive exclusion.

What is the industrial significance of biofilms? Microbial biofilms on surfaces cost the nation billions of dollars yearly in equipment damage, product contamination, energy losses and medical infections. Conventional methods of killing bacteria (such as antibiotics, and disinfection) are often ineffective with biofilm bacteria. The huge doses of antimicrobials required to rid systems of biofilm bacteria are environmentally undesirable  (and perhaps not allowed by environmental regulations) and medically impractical (since what it would take to kill the biofilm bacteria would also kill the patient!).

Toisaalta, pintojen mikrobikasvu/biofilmi voi myös tarjota positiivisia mahdollisuuksia teollisuus- ja ympäristösovelluksissa; esimerkkeinä saastuneiden maa-alueiden bioremediaatio, jäteveden biosuodatus, bioestojen rakentaminen mikrobien avulla jolloin pohjavesikerros suojataan kontaminaatiolta