Biologia i ekologia wykłady, Inżynieria Środowiska


Komórka - najmniejszy i niepodzielny skład żyjący, zdolny do rozmnażania i wykonywania wszystkich podstawowych czynności życiowych, może być samodzielnym organizmem albo może stanowić składnik zespołu komórkowego tworzącego pewną całość. Komórki wchodzące w skład organizmów wielokomórkowych są zróżnicowane strukturalnie i funkcjonalnie.

Można wyróżnić dwa podstawowe typy budowy komórki:
- prokariotyczny
- eukariotyczny

Prokariota, czyli organizmy bezjądrowe są organizmami jednokomórkowymi i mimo, że budowa ich komórki jest bardzo prosta, to pozwala spełniać wszystkie czynności życiowe.
Do Prokarioty zaliczamy sinice i bakterie.


Kształt komórki jest mało zróżnicowany, najczęściej kulisty, pałeczkowaty lub przybiera postać spiralnie wygiętego walca; rzadko jest nieregularny. Kształt komórce nadaje ściana komórkowa zbudowana ze specyficznego związku mukopeptydu, występującego tylko u priokariotów. Wnętrze komórki osłonięte jest błoną cytoplazmatyczną i wraz z nią stanowi protoplast.


Błona cytoplazmatyczna zbudowana jest z białek i lipidów. Błona ta spełnia ważne funkcje związane z wydalaniem i pobieraniem różnych substancji przez komórkę.


Prokariota nie mają jądra komórkowego i organelli komórkowych, takich jak mitochondria i plastydy, oraz nie mają błon siateczki śródplazmatycznej (retikulum endoplazmatycznego). W cytoplazmie występują kuleczkowate twory zwane rybosomami, będące miejscami syntezy białek.
Funkcje jądra komórkowego spełnia nukleoid, czyli koliście zwinięta nić kwasu deoksyrybonukleinowego nie   oddzielona od reszty protoplastu cysternami otoczki jądrowej.
Funkcje oddechowe w komórce spełniają drobne twory mezosomy, zbudowane z współśrodkowo ułożonych wpukleń błony cytoplazmatycznej otaczającej protoplast. U fotosyntetyzujących bakterii i sinic wpuklenia, które oderwały się od błony i zawierają barwniki asymilacyjne, nazywane są tylakoidami lub ciałkami chromatoforowymi. Mają one postać spłaszczonych woreczków rozmieszczonych zwykle w peryferyjnej części komórki. Struktury te pełnią funkcję chloroplastów, chociaż mają znacznie prostszą budowę. Niektóre   bakterie mają rzęski których struktura jest całkowicie odmienna od struktury rzęsek komórek eukariotycznych

Komórki eukariotyczne mają bardziej złożoną strukturę. Albo stanowią samodzielne organizmy (pierwotniaki niektóre glony, grzyby jednokomórkowe), albo wchodzą w skład organizmów wielokomórkowych.
Mimo tej różnorodności budowy i funkcji, wynikających ze specjalizacji, eukariotyczne mają podstawowe cechy wspólne:

W komórce eukariotycznej istnieje system błon przenikających całą cytoplazmę i połączonych z błona jądrową. Ten siateczkowaty system nosi nazwę siateczki śródplazmatycznej ( inaczej retikulum endoplazmatycznego). Dzieli cytoplazmę na małe przedziały.

Budowa komórki eukariotycznej i funkcje jej składników:

Cytoplazma stanowi zwykle główna masę komórki. Jej  właściwości fizyczne podobne są do właściwości   roztworu koloidowego.

Siateczka śródplazmatyczna zbudowana jest z:

Ten system błon dzieli cytoplazmę na odrębne przedziały (obszary), w których mogą przebiegać bez zakłóceń   różne reakcje enzymatyczne. Część błon retikulum  endoplazmatycznego jest gładka, a część błon jest   szorstka, pokryta rybosomami.

Od błon gładkiego retikulum endoplazmatycznego mogą oddzielać się   pęcherzyki, które przekształcają się w wakuole i mikrociałka, takie jak: sferosomy, peroksysomy itp.
Siateczka śródplazmatyczna pełni ważną rolę w syntezie białek i lipidów oraz w przemieszczaniu się różnych   związków w komórce. W komórkach roślinnych utrzymuje ponadto kontakt między sąsiednimi komórkami,   ponieważ jej kanaliki występują w pasmach cytoplazmatycznych, zwanych plazmodesmami, łączących   protoplasty sąsiednich komórek.

Budowa błon cytoplazmatycznych:

W skład błon cytoplazmatycznych wchodzą różne typy białek enzymatycznych, jak również białka receptorowe hormonów i przeciwciał. Utrzymanie półpłynnego charakteru błon ma duże znaczenie dla organizmów żywych.

Specyficzną właściwością błony komórkowej jest jej wybiórcza przepuszczalność. Właściwość ta powoduje, że do komórki woda przenika swobodnie, zgodnie z prawami osmozy, natomiast inne substancje wnikają wybiórczo, często wbrew gradientowi stężeń.

Rybosomy są to kuliste struktury zbudowane z białek i RNA. Mogą one występować wolno w cytoplazmie lub mogą być związane z błonami retikulum endoplazmatycznego. Rybosomy są ośrodkami syntezy białek. Zespół rybosomów połączonych nicią matrycowego RNA stanowi polirybosom.

Jądro komórkowe najczęściej ma kształt kulisty, chociaż ma zdolność elastycznej zmiany kształtu.

Otoczka jądrowa (błona jądrowa) złożona jest z dwóch błon cytoplazmatycznych oddzielonych od siebie wąską przestrzenią. Zewnętrzna błona tworzy uwypuklenia, łącząc się z siateczką śródplazmatyczną.
W błonie jądrowej występują pory, dzięki którym plazma jądrowa może kontaktować się z cytoplazmą podstawową.
Wnętrze jądra wypełnia sok jądrowy-kariolimfa. W kariolimfie pogrążone jest jąderko i siateczka chromatynowa.
Chromatyna stanowi interfazową postać chromosomów. Jest zbudowana z kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA), niskocząsteczkowych białek zasadowych histonów, białek niehistonowych i kwasu rybonukleinowego (RNA). Wśród białek niehistonowych jest wiele enzymów.
Jąderko jest skupieniem RNA i białek; nie jest otoczone błoną. Znajduje się w nim nieznaczna ilość DNA, zawierającego informację genetyczna dla syntezy rybosomowego RNA (rRNA). W jąderku zachodzi synteza rRNA, który po połączeniu się z białkami tworzy podjednostki rybosomów. Podjednostki te przemieszczają się z jąderka do cytoplazmy.

Zwykle komórki mają jedno jądro, jednak pewne wyspecjalizowane komórki są wielojądrowe wówczas nazywa się je komórczakami.

Mitochondria są to organelle o kształcie kulistym lub wydłużonym. Są znacznie większe od rybosomów.
Otoczone są dwiema błonami cytoplazmatycznymi. Błona wewnętrzna tworzy liczne wpuklenia do wnętrza, co zwiększa jej powierzchnię. Wpuklenia noszą nazwę grzebieni mitochondrialnych.
Wnętrze mitochondrium stanowi koloidowy ośrodek, tzw. matriks, zawierający liczne białka, zwłaszcza enzymy.
W mitochondriach uzyskiwana jest energia w wyniku zespolonych reakcji utleniania produktów przemiany materii zwanych metabolitami (oddychanie komórkowe). Energia ta magazynowana jest w wiązaniach wysokoenergetycznych adenozynotrifosforanu ATP.
Mitochondria mają własne, różne od jądrowego, DNA i RNA.

Liczba tych organelli zwiększa się przez podział już istniejących, niezależnie od podziału jądra i komórki.

Plastydy są charakterystycznymi organellami komórek roślinnych. Mają kształt kulisty lub elipsoidalny. Otoczone są dwiema błonami cytoplazmatycznymi. Błona wewnętrzna wpukla się do środka dając początek strukturze wewnętrznej.
Wnętrze plastydów stanowi bezpostaciowy ośrodek zwany stromą.

Najmłodszą formą plastydów są proplastydy występujące w komórkach tkanki twórczej, różnicują się one na:

  1. leukoplasty są: bezbarwne, zdolne do syntezy i gromadzenia skrobi, a rzadziej innych związków zapasowych

  2. chloroplasty zawierają zielony barwnik asymilacyjny - chlorofil, najczęściej występuje on w formach woreczków nazywanych tylakoidami. Rozszerzone tylakoidy ułożone w stosy tworzą tzw. grana. Chlorofil jest związkiem zdolnym do pochłaniania energii świetlnej zbędnej w procesie fotosyntezy.
    Chlorofil i inne barwniki -jak karoten i ksantofil- wbudowane są w błony tylakoidów

  3. chromoplasty są to plastydy zawierające: czerwone, żółte i pomarańczowe barwniki karotenoidowe. Barwniki te występują w formie rozpuszczonych kroplach tłuszczu lub w formie kryształów.

Inne składniki komórki:

Aparat Golgiego (zwany też układem lub strukturami Golgiego, a jeszcze inaczej diktiosom) - tworzą go stosy kilku spłaszczonych cystern ułożonych równolegle do siebie. Cysterny mają pojedynczą błonę białkowo-lipidową. Od cystern odrywają się małe pęcherzyki transportujące.
Funkcją układu Golgiego jest :

Lizosomy są pęcherzykami zawierającymi enzymy hydrolityczne w których zachodzą procesy trawienia wewnątrzkomórkowego składników protoplastu związane z przebudową komórki.

Peroksysomy są to pęcherzyki zawierające enzymy utleniające.

Centriole są strukturami homologicznymi z ciałkami podstawowymi rzęsek i wici.
Występują w komórkach zwierzęcych i komórkach roślin niższych, w pobliżu jądra komórkowego.

Mikrotubule są to rurkowate struktury zbudowane z globularnych białek.Wchodzą w skład wrzeciona podziałowego.
W komórkach roślinnych mikrotubule często są z kalizowane w przyściennych pokładach cytoplazmy, a kierunek ich ułożenia zgodny jest z kierunkiem układu fibryli celulozowych.
Mikrotubuli przypisuje się rolę w:

Budują m.in. ciałka podstawowe, centriole, strukturę wici i rzęsek.

Ściana komórkowa

Okrywa ona od zewnątrz protoplast i jest charakterystyczna dla komórki roślinnej. Jest przepuszczalna dla wody i soli mineralnych. Nadaje komórce kształt i pełni funkcje ochronne.
Ściany komórkowe odgrywają także istotną rolę w budowie tkanek i funkcjonowaniu całego organizmu roślinnego.

Ściana komórkowa powstaje w czasie podziału komórki w procesie cytokinezy.

W płaszczyźnie równikowej komórki wytwarzana jest przegroda pierwotna, która przekształca się w pektynowa blaszkę środkową. Po obu stronach blaszki środkowej protoplasty komórek odkładają cząsteczki celulozy (błonnika), hemiceluloz i pektyn, które formułują pierwotną ścianę komórkową. W wolnych przestrzeniach między cząsteczkami celulozy oprócz hemiceluloz i pektyn znajdują się liczne cząsteczki wody. Wraz ze wzrostem komórki zachodzą zmiany w ścianie komórkowej. Ściana komórkowa rosnąc zwiększa swoją powierzchnię i grubieje. Tworzy się wówczas wtórna ściana komórkowa, w której układ łańcuchów celulozy jest bardzo regularny.

Wakuole

Stanowią przestrzenie wypełnione sokiem i oddzielone są od cytoplazmy błoną wakuolarną zwaną tonoplastem.
Pełnią różne funkcje. Przede wszystkim:

W młodych komórkach roślinnych wakuole są drobne. Wskutek pobierania wody powiększają się i mogą się zlewać w jedną wakuolę centralną. Wakuole powstają z cystern retikulum endoplazmatycznego.

Sok komórkowy jest wodnym roztworem jonów sodu, potasu, magnezu żelaza, wapnia i innych oraz substancji organicznych:

Dla funkcjonowania komórki niezwykle ważne jest stężenie soku komórkowego które decyduje o potencjale osmotycznym komórki i pobieraniu wody z otoczenia, co z kolei umożliwia utrzymanie turgoru.

Błonę wakuolarną (tonoplast) charakteryzuje wybiórczość, podobnie jak błonę komórkową, jednak jej   przepuszczalność jest większa.

Osmoza jest to dyfuzja cząsteczek wody (lub innego rozpuszczalnika) przez błonę półprzepuszczalną oddzielającą dwa roztwory o różnych stężeniach.

Komórki otoczone półprzepuszczalną cytoplazmatyczna błoną białkowo - lipidową funkcjonują jak aparat osmotyczny. Sok komórkowy jest roztworem wielu związków i zależnie od ich stężenia ma pewien potencjał osmotyczny.

Jeśli komórkę umieścić w roztworze hipertonicznym, tzn. w roztworze o potencjale osmotycznym wyższym od potencjału soku komórkowego, to zgodnie z prawami osmozy woda przemieszcza się z komórki do roztworu. Proces ten trwa aż do wyrównania się stężeń i może prowadzić do plazmolizy.

Zjawisko plazmolizy można łatwo zaobserwować w komórce roślinnej, ponieważ odwodniony protoplast kurczy się i odstaje od ścian komórkowych. Jest to zjawisko na ogół odwracalne w żywych komórkach; komórka przeniesiona do wody podlega deplazmolizie. Następuje wówczas uwodnienie protoplastu i powrót do poprzedniego stężenia soku komórkowego i wielkości wakuoli.

Materiały zapasowe

Komórki odznaczają się zdolnością gromadzenia materiałów zapasowych, takich jak węglowodany, tłuszcze właściwe i białka.

W komórkach zwierzęcych węglowodanem zapasowym jest glikogen, w komórkach roślinnych najczęściej gromadzonym węglowodanem jest skrobia.


Tłuszcze są gromadzone przeważnie w postaci mniejszych lub większych kropli zawieszonych w cytoplazmie.

Białka zapasowe gromadzone są głównie w komórkach roślinnych. Występują w wakuolach i w postaci ziaren aleuronowych w nasionach niektórych roślin, głównie motylkowatych (na przykład fasoli, grochu, łubinu), i ziarnach zbóż (pszenicy, jęczmienia, żyta).

Białka - są związkami złożonymi z co najmniej 100 aminokwasów, a pewna ich grupa zwiera dodatkowo składnik niebiałkowy.

Jest to podstawą podziału białek na: proste i złożone.

W klasyfikacji według kształtu cząsteczek rozróżniamy białka :

  1. Globularne, ich cząsteczki mają kształt eliptyczny o niewielkim stosunku długości osi długiej do krótkiej. Składają się z pofałdowanych i dodatkowo zwiniętych w szczególny sposób łańcuchów polipeptydowych. Białka tego typu są na ogół łatwo rozpuszczalne w wodzie lub rozcieńczonych solach. Do tej grupy białek należą wszystkie białka czynne biologicznie o charakterze np.: enzymów, antygenów, itp.

  2. Włókienkowe to białka o znaczniej asymetrii cząsteczek, tzn. dużym długości osi długiej do krótkiej

Właściwości białek zależą:

Kolejność aminokwasów w łańcuchach polipeptydowych określana jest jako struktura I - rzędowa. W ramach struktury wtórnej rozróżniamy 3 rodzaje:

  1. II - rzędowa - stopień zwinień ciała łańcucha polipeptydowego

  2. III - rzędowa - dotyczy białek globularnych i jest to ściśle określone przez strukturę I - rzędową. Sposób pofałdowania i zwinięcia heliksu w przestrzenny twór.

  3. IV - rzędowa - określa stopień asocjacji lub polimeryzacji poszczególnych cząsteczek białkowych lub łańcuchów polipeptydowych, większe agregaty zazwyczaj w oligomeramii.

Białka ulegają denaturacji zjawisko to powoduje szczególnie dużą zmianę konformacji cząsteczki białka z równoczesnym zaniknięciem jej aktywności biologicznej i zmianę niektórych właściwości. Zachodzi przy nadmiarze wysokiej temperatury.

Denaturację tworzy szereg zmian fizycznych i chemicznych, jak:

Denaturacja jest procesem praktycznie nieodwracalnym. Stwierdzono jej odwracalność jedynie w przypadku białek o prostej budowie i zjawisko to określa się renaturacją.

Klasyfikacja białek:

  1. Proste

Protaminy, histony, albuminy, globuliny, prolaminy, gluteiny, skleroproteiny.

  1. Złożone

Fosfoproteidy, glikoproteiny, chromatoproteiny, nukleoproteiny, metaloproteiny, hemoproteiny, lipoproteiny

Enzymy

Dla prawie każdej reakcji chemicznej istnieje pewna ilość energii koniecznej do zapoczątkowania reakcji. Energię tą nazywamy energią aktywacji.

W żywych organizmach enzymy spełniają rolę katalizatorów. W zgwiązku z tym, że działają w żywych komórkach nazywamy je biokatalizatorami.

Wszystkie enzymy są białkami produkowanymi przez żywe komórki. Większą część enzymów stanowią białka złożone, w których obok grupy proteinowej występuje z nią ściśle związana grupa prostetyczna.

Kataliza enzymatyczna przebiega w 3 etapach:

  1. Przestrzenne dopasowanie centrum aktywnego do substratu

  2. Utworzenie nietrwałego kompleksu enzym - substrat, co obniża energię aktywacji

  3. Oddzielenie się enzymu od produktu

E + S ==> E-S ==> E + P

Jeden enzym katalizuje jedną reakcję.

Na aktywność enzymów wpływają różne czynniki:

Temperatura - wzrost o każde 10˚C zwiększa szybkość reakcji enzymatycznej prawie dwa razy. Jednak odbywa się to wyłącznie do mniej więcej 40˚C - 45˚C.

Obniżenie temperatury zmniejsza reakcje biochemiczne.

Odczyn pH - większość enzymów komórkowych najszybciej działa w środowisku zbliżonym do obojętnego

pH = 7. Wyjątek stanowią enzymy lizosomalne.

Natomiast enzymy działające pozakomórkowo np. w przewodzie pokarmowym charakteryzują się znacznym zróżnicowaniem optymalnych warunków kwasowości środowiska, to:

Stężenie substratu i enzymu w stałej temperaturze, stałym pH i stężenie enzymu utrzymuje się szybkość reakcji chemicznej początkowo wzrasta. W miarę zwiększenia się stężenia substratu do pewnej wartości, a następnie ustala się na jednakowym poziomie. Dochodzi do tego w momencie, gdy wszystkie cząsteczki enzymu są połączone z substratem tworząc kompleks enzym - substrat.

W środowisku komórkowym występują różne substancje niskocząsteczkowe, które przyłączając się do enzymu powodują zmianę struktury przestrzennej enzymu, uniemożliwiając tworzenie kompleksu E -S.

Istnieją też przypadki, gdy związek chemiczny mając podobną budowę do substratu konkuruje z nim o związanie się z centrum aktywnym enzymu. Przyłączenie tego związku zwanego analogiem substratu uniemożliwia dostęp właściwemu substratowi do centrum aktywnego. Jeżeli inhibitor występuje w dostatecznie dużym stężeniu, to może całkowicie wyrugować substrat i zablokować reakcję. Zwiększenie stężenia substratu może spowodować wyparcie inhibitora. Odwracalna inhibicja enzymu odgrywa ważną rolę w regulacji metabolizmu.

Pod wpływem różnych substancji, np. jonów może nastąpić taka zmiana kształtu cząsteczek enzymu, która jest korzystna dla przebiegu katalizy enzymatycznej. Odbywa się to na skutek przyłączania aktywatora do centrum aktywnego i polepszania w ten sposób wiązania substratu.

Enzymy grupujemy na 6 klas:

  1. Oksydoreduktazy - katalizują reakcje oksydoredukcyjne

  2. Transferazy - katalizują reakcje przenoszenia grup funkcyjnych z cząsteczki donora do cząsteczki akceptora

  3. Hydrolazy - katalizują rozpad cząsteczek złożonych na proste przy udziale wody

  4. Liazy - katalizują reakcję addycji wody, amoniak lub CO2 do wiązań podwójnych. Katalizują również reakcje odwrotne

  5. Izomerazy - przebudowują strukturę cząsteczki bez jej rozkładu, katalizują więc wewnątrz cząsteczkowe przegrupowania atomów, czyli izomerię.

  6. Ligazy - katalizują reakcję łączenia 2 substratów, są to reakcje wymagające nakładu energii ze związków wysokoenergetycznych

WIRUSY:

Wirusy są bezwzględnymi wewnątrzkomórkowymi pasożytami, aby utrzymać się w środowisku muszą być zdolne do przenoszenia się od gospodarza do gospodarza, zakażenia i replikacji we wrażliwych ich komórkach. Cząsteczki wirusowe można określić jako struktury, które wyewoluowały w celu przenoszenia kwasu nukleinowego z jednej komórki do 2.

Kwasem nukleinowym występującym w wirusach jest DNA i RNA w formie jedno lub 2- niciowej i liniowej albo segmentowanej. W niektórych przypadkach ma strukturę kulistą, najprostsze cząsteczki składają się
z płaszcza białkowego otaczającego nić kwasu nukleinowego. W bardziej skomplikowanych przypadkach kwas nukleinowy jest dodatkowo otoczony strukturami błonowymi tworzącymi osłonę wirusową.

Osłonka ta oprócz komórkowych błon lipidowych zawiera kodowane przez wirusa glikoproteiny wbudowane do osłonki w jednym lub kilku regionach zakażonej komórki, w których następuje proces dojrzewania cząsteczki wirusowej. Materiał genetyczny tych prostych wirusów koduje kilkadziesiąt specyficznych dla nich białek. Kompletna cząsteczka wirusowa to wirion. Może on mieć osłonkę glikoproteinową zawierającą peplomery (wypustki), tworzące frędzle wokół cząsteczki. Płaszcz białkowy otaczający kwas nukleinowy nazywany jest kapsydem - składa się z jednostek morfologicznych zwanych kapsomerami, ich typ zależy od kształtu kapsydu. Kapsydy wirusowe mają tendencję do występowania w dwóch typach symetrii: heliakalnej lub kubicznej. Większość wirusów zwierzęcych ma właśnie taką symetrię.

Wiele wirusów oprócz kapsydów ma osłonkę kodowana przez wirusa. Większość wirusów z osłonką wypączkowuje z błon komórkowych. Osłonka może być bezkształtna lub ściśle przylegająca do kapsydu. Pojemność kodująca kapsydu waha się w granicach od poniżej 5 do 100 genomów. Odzwierciedleniem tego są różnice w stopniu kodowania cząsteczek wirusowych i cyklach replikacji.
Białka wirusowe można podzielić na białka strukturalne i niestrukturalne. O białkach wirusowych mówi się często jako o białkach istotnych i nieistotnych. Białka istotne są absolutnie wymagane do przebiegu replikacji wirusa i wytwarzaniu inwencyjnych cząstek wirusowych. Nieistotne mogą być usunięte z genomu wirusa bez istotnego wpływu na wzrost wirusa w kodowanych tkankach. Wszystkie białka są syntetyzowane na matrycy RNA (mRNA) odczytywanego przez komórkowe rybosomy. Białka strukturalne niezależnie od złożoności rozmiarów o kształtu cząsteczek wirusowych spełniają rolę ochrony wirusowego genonomu i dostarczają cząsteczki wirusowe od jednego gospodarza do drugiego. Występują w nukleokapsydzie, rdzeniu lub osłonce. Niestrukturalne mogą albo występować wewnątrz cząsteczki wirusowej albo pojawiać się tylko w zainfekowanej komórce. Wiele spośród tych białek ma aktywność enzymatyczną. Enzymy te są celem działania leków przeciwwirusowych. Inne białka odgrywają rolę w składaniu cząstek wirusowych, działając jako swoiste rusztowanie, na którym następuje składanie kapsydów.

BAKTERIE:

Bakterie należą do Prokariota. Są organizmami jednokomórkowymi i ich komórka spełnia wszystkie funkcje życiowe. Charakteryzują się stosunkowo mała różnorodnością kształtów.

Wśród bakterii właściwych wyróżnia się trzy podstawowe postacie mogące tworzyć różne typy układów: elipsoidalne lub kuliste zwane ziarniakami, cylindryczne lub pałeczkowate, spiralne lub śrubowe.

  1. Kuliste lub owalne noszą nazwę ziarniaków (coccus). Bakterie z tej grupy tworzą przeważnie zespoły komórek, które są cechą diagnostyczną danego rodzaju. Rzadziej występują pojedynczo, jeśli po podziale ich komórki nie rozłączyły się wówczas powstają tzw. układy dwoinek (diplococcus). Jeśli dalszy podział powstał w tej samej płaszczyźnie, a po podziale komórki zostały ze sobą połączone wówczas tworzą się łańcuszkowa te zespoły komórek, które określa się jako paciorkowce (streptococcus). Ziarniaki zbudowane z 4 nie rozłączonych komórek, których podział nastąpił w 2 prostopadłych do siebie płaszczyznach określa się jako czwórniaki (tetracoccus). Ziarniaki, których podział następuje w 3 prostopadłych dla siebie płaszczyznach tworzą złożoną z ośmiu komórek symetryczną, podobną do sześcianu figurę nazywa się pakietowcami (sarcina). Zespół komórek, który dzieli się wzdłuż różnych płaszczyzn i tworzy grona to gronkowce (staphylococcus).

  1. Postacie cylindryczne nie tworzą takich zespołów jak ziarniaki. Mogą jednak występować w postaci 2 lub więcej komórek połączonych ze sobą w łańcuszek. Tworzą więc również charakterystyczne układy komórek i np.: maczugowce (nieregularne pałeczki) układają się w literę X lub Y, prątki (równe pałeczki, niekiedy ze szczątkowymi rozgałęzieniami) przypominają ułożone cygara w pudełku. Wśród bakterii cylindrycznych wyróżnia się 2 zasadnicze grupy:

  1. laseczki (bacillus i clostridium) są to bakterie wytwarzające spory. Ich młode komórki barwią się metodą Grama dodatnią na kolor fioletowy.

  2. pałeczki (bacterium) są to bakterie nie wytwarzające przetrwalników, przeważnie o zaokrąglonych końcach i z reguły metodą Grama barwią się ujemnie.

Promieniowce są formami przejściowymi między bakteriami a grzybami. Kształtem i sposobem rozwoju przypominają grzyby pleśniowe, z szerokością komórek, składem chemicznym ściany komórkowej, obecnością nukleoidu i wrażliwością na bakteriofagi bakterie.

Bakterie nitkowate - zaliczamy do nich bakterie siarkowe, które są organizmami chemosyntetyzującymi, utleniającymi siarkę.

Cytologia komórki

Warstwy zewnętrzne komórki można podzielić na:

  1. warstwę jonową

  2. otoczkę - typowe mają kształt kapsułki, której wymiary mogą przewyższać wielokrotnie wielkość samej komórki, ze względu na skład chemiczny, otoczki dzieli się na: wielocukrowe i polipeptydowe. Przypuszcza się, że otoczka może zabezpieczać stałe ciśnienie osmotyczne komórki. Dla gatunków saprofitycznych stanowią warstwę ochronną zabezpieczającą przed wysychaniem lub innymi szkodliwymi czynnikam. Dla chorobotwórczych są elementami agresywności. Hamują one fagocytozę. Wytwarzanie otoczek zależy od informacji zawartej w kodzie genetycznym, a także od warunków środowiska, w którym żyje mikroorganizm.

  3. mikrootoczkę

  4. zaabsorbowaną warstwę śluzową

  5. warstwę cementującą odpowiedzialną za utrzymanie dwóch komórek po podziale

  6. ścianę komórkową - u większości bakterii, sztywna, nierozpuszczalna w wodzie struktura. Nadaje ona komórce charakterystyczny kształt i chroni przed ujemnym wpływem różnych czynników fizycznych i chemicznych. Styka się ona bezpośrednio z błoną cytoplazmatyczną, lecz nie posiada cech błony półprzepuszczalnej. Jest kompleksem peptydoglikenowym zwanym mureiną albo peptydoglikenem.

  7. błonę cytoplazmatyczną - otacza ona cytoplazmę, przylega bezpośrednio do ściany komórkowej. Jest barierą chemiczno-osmotyczną. Uszkodzenie błony powoduje śmierć komórki. Jest wybiórczo półprzepuszczalna. Reguluje wymianę substancji z otaczającym środowiskiem. Zawiera system aktywnego transportu związków chemicznych ze środowiska do komórki. Jest miejscem syntezy struktur komórkowych, jak i składników ściany komórkowej i otoczki. Zlokalizowane są w niej enzymy odpowiedzialne za aktywność oddechową. Przypuszczalnie z nie powstają ciałka chromatoforowe zastępujące u bakterii fotosyntetyzujących chloroplasty. transport składników odżywczych i wydalanie szkodliwych produktów przemiany materii odbywa się poprzez występujące otworki w błonie oraz wielocukry, lipidy białka lub peptydy występujące w ścianie.

  8. mikrootoczki (antygen pokrywkowy) - występuje na zewnętrznej błonie ściany komórkowej niektórych gatunków bakterii, można ją wykryć jedynie metodami serologicznymi.

Warstwa wewnętrzna komórki:

  1. cytoplazma - jest złożonym układem koloidalnym.
    Fazę rozproszoną stanowią wszystkie występujące w komórce substancje organiczne i nieorganiczne, m.in.: białka (wśród których znajdują się liczne enzymy), tRNA, cukry, aminokwasy, witaminy, koenzymy oraz różnego rodzaju sole.
    Fazę rozpraszającą stanowi woda.
    Tu zlokalizowane są różne struktury: ziarno jądrowe, rybosomy, ziarnistości materiałów zapasowych. Cytoplazma wykazuje strukturę submikroskopową, nie posiada retikulum endoplazmatycznego, zawiera jednak pewien system membran. Rozpuszczone w wodzie substancje odpowiadają za wytworzenie odpowiedniego ciśnienia osmotycznego.

  2. Mezosomy (odpowiedniki mitochondriów u eukariota) - są podstawowym składnikiem systemu membran znajdującego się w cytoplazmie. Są uwypukleniami błony cytoplazmatycznej do wnętrza komórki. Łączą membranę z nukleoidem. Przebiegają tu reakcje oksydoredukcyjne, posiadają rolę w procesie zmienności dziedzicznej - transformacji. Stanowią centrum syntezy kwasów tłuszczowych, odgrywają rolę w tworzeniu się błon półprzepuszczalnych przy podziale komórki oraz rozdziale DNA.

  3. Rybosomy - znajdują się między nukleoidem a błoną cytoplazmatyczną. Są to drobne ziarnistości znajdujące się w cytoplazmie. Zbudowane są z RNA i białka. RNA rybosomowe stanowi od 60%-90% RNA komórki bakteryjnej. Odgrywają zasadniczą rolę w syntezie białka.

  4. Nukleoid - pojedyncza, liniowa struktura zbudowana z kwasu DNA. Tworzy pierścień, który w trakcie replikacji rozdwaja się w dwóch miejscach. Jedno z nich jest prawdopodobnie miejscem powstawania replikacji, drugie z nich jest miejscem zwrotu. Nie posiada on błony rozdzielającej go od cytoplazmy.

  5. Plazmidy - niezależne od chromosomu. Są to cząsteczki DNA, które replikują się automatycznie lub w stanie ingerencji z chromosomem.

Liczne mikroorganizmy mogą wytwarzać struktury wykazujące dużą odporność na niesprzyjające warunki środowiska. Taką strukturą są najczęściej wegetatywne spory, a wśród nich endospory bakteryjne (rozwijające się wewnątrz komórki), które wykazują dużą odporność na działanie związków chemicznych oraz czynników fizycznych (np.: promieniowanie UV, wysoka temperatura). Mają one kształt owalny lub podłużny.

Organellami ruchu u bakterii są rzęski. Wyrastają one z ciałka podstawowego i przez ścianę komórkową wychodzą na zewnątrz komórki. Włókienka rzęsek zbudowane są z podjednostek kurczliwego białka - flageliny, podjednostki te są ułożone spiralnie wokół osiowego cylindra. Rzęski składają się z 3 części:

  1. Włókna - stanowi ok. 98% całej rzęski znajduje się na zewnątrz komórki

  2. Ciała podstawowego - ma ono budowę bardziej złożoną.

U gram ujemnych składa się z 2 par pierścienie, przez które przechodzi centralny rdzeń.

Gram dodatnie nie mają zewnętrznej pary pierścieni, co świadczy o ty, że jedynie wewnętrzne są niezbędne do ruchu rzęsek

  1. Haka - łączy dwa poprzednie elementy . Za jego pomocą rzęska zakotwiczona jest w błonie i ścianie komórkowej. Hak ma bardzo małą długość, średnicą zbliżony do włókna, jest pusty w środku i łączy się z włóknem rzęski przez białka pomocnicze

Rzęski umiejscowione są na powierzchni komórki, a ich liczba i umiejscowienie zależą od gatunku bakterii. Wyróżnia się 4 typy urzęsienia bakterii:

Ze względu na swą białkową budowę rzęski są silnymi antygenami, co znajduje zastosowanie w diagnostyce do klasyfikacji serologicznej niektórych bakterii.

Fimbrie

Fimbrie są to białkowe wyrostki zbudowane z białka zwanego piliną. Znacznie krótsze od rzęsek i występujące w liczbie od 1 do 300 na komórkę. Są rodzajem wypustek cytoplazmatycznych przechodzących przez otwory w ścianie komórkowej. Układają się promieniście lub skupiają na biegunach komórki. Funkcja biologiczna fimbrii jest nadal przedmiotem badań. Przypuszcza się, że mają one właściwości atchezyjne, jednak największe zainteresowanie budzą tzw. fimbrie płciowe, które biorą czynny udział w przekazywaniu materiału genetycznego w procesie koniugacji.

Substancjami zapasowymi u bakterii najczęściej są kropelki ciał tłuszczowych i najczęściej jest to spolaryzowany kwas beta-hydroksymasłowy. W cytoplazmie bakterii z rodzaju Corynobacterium zlokalizowane są ziarna wolutyny, których liczebność i kształt zależy od aktywności metabolicznej komórki,
a głównie od obecności fosforanu i poziomu ATP. Bakterie siarkowe akumulują w cytoplaźmie duże ilości siarki, która po rozpuszczeniu w kropelkach tłuszczu staje się materiałem biologicznie przyswajalnym.
W cytoplaźmie innych gatunków bakterii obecne są ziarna mikogenu lub granulozy.

Rozmnażanie

Komórka bakteryjna u bakterii cylindrycznych rozmnaża się poprzez podział bezpośredni poprzeczny do osi głównej komórki. Proces ten poprzedzony jest biogeneza poszczególnych struktur komórkowych jak: nukleoidu, rybosomów, otoczki, ściany komórkowej itd. cytoplazma zostaje podzielona przez poprzeczne dośrodkowo wrastające błony cytoplazmatyczne w postaci przegrody. Przegroda błony cytoplazmatycznej zostaje rozdzielona przez wrastającą ścianę komórkową, która w końcowej fazie powoduje podział funkcjonalny obu siostrzanych komórek. U okrągłych komórek podział może następować w jednej płaszczyźnie, i tworzyć łańcuszek niekompletnie rozdzielonych komórek.

W przypadku czwórniaków płaszczyzny podziału są do siebie prostopadłe.
U pakietowców występują trzy prostopadłe płaszczyzny podziału.
A u gronkowców istnieje wiele płaszczyzn.

Podział komórki może być hamowany przez związki zmniejszające napięcie powierzchniowe komórki, np. mydła, cukry, promieniowanie UV. Zahamowanie procesu podziału objawia się tworzeniem długich nici, które z reguły obserwuje się u laseczek. Podział i rozmnażanie komórek może następować w jedynie sprzyjających warunkach, czyli odpowiednich pH, temp i ilości składników pokarmowych.

ŚRODOWISKA ŻYCIA MIKROORGANIZMÓW

  1. Woda:

Biotopami organizmów wodnych są zarówno wody podziemne jak i powierzchniowe oraz osady denne. W ekosystemach wodnych można wyróżnić dwie grupy czynników utrzymujących równowagę biologiczna:

  1. Czynniki abiotyczne, do których należą martwe substancje organiczne i nieorganiczne rozpuszczone i zawieszone w wodzie, gazy (O2 CO2 H2S, CH4) energia świetlna, energia cieplna oraz ruchy wody.

  2. Czynniki biotyczne: wszystkie organizmy żywe (rośliny i zwierzęta [i mikroorganizmy - podział sztuczny).

Bakterie wodne mogą być zawieszone w toni wodnej i wówczas określamy je jako bakterioplankton. Natomiast inna grupa o często innych wymaganiach odżywczych i środowiskowych zasiedla osady denne lub jako tzw. peryfiton zasiedla części stałe zbiornika.

Ogólnie wszystkie bakterie żyjące w środowisku wodnym można scharakteryzować w różny sposób według ich morfologii, właściwości fizjologicznych (prowadzonych przez nie procesów biologicznych), przynależności taksonomicznej do poszczególnych gatunków i rodzajów. Podstawowy wydaje się jednak podział na dwie zasadnicze grupy w zależności od pochodzenia i możliwości rozwoju w środowisku wodnym:

  1. mikroflora autochtoniczna - miejscowa, należą tu mikroorganizmy, dla których woda jest naturalnym środowiskiem bytowania. Są to bakterie heterotroficzne o różnych możliwościach fizjologicznych przystosowane do rozkładu materii organicznej, a wśród nich przedstawiciele rodzaju, np. Pseudomonas, Achronobacter, Spirillum.

Ponadto wśród autochtonów duża grupę stanowią bakterie autochtoniczne foto- i chemosyntetyzujące jak np. bakterie siarkowe czy żelaziste.

Bakterie żelaziste mogą na skutek masowego rozwoju zabarwiać wodę na kolor rdzawy. Takiego koloru nalot może również pokrywać dno zbiornika, strefę beztlenowa i bogata w węglan żelazawy. Wolno pływające bakterie żelaziste przemieszczają się w zbiorniku w ciągu doby. Nocą opuszczają się do strefy przydennej, natomiast w ciągu dnia migrują do górnej warstwy wody cieplejszej i bogatszej w tlen. Bakterie żelaziste są w wodach słodkich bardzo rozpowszechnione, szczególnie licznie występują w studniach i źródłach, masowo tez występują niekiedy w błotnistych potokach, moczarach i stawach.

Z grzybów natomiast niektóre gatunki z rodzajów np. Mucor.

  1. mikroflora allochtoniczna - naniesiona. Stanowią ją mikroorganizmy allochtoniczne w tym pasożytnicze, które do wody dostają się z gleby, powietrza oraz ze ściekami miejskimi
    i niektórymi przemysłowymi. Szczególnie ścieki miejskie są źródłem mikroorganizmów chorobotwórczych. Z gleby wypłukiwane są przeważnie laseczki z rodzaju Bacillus oraz liczne pałeczki będące przedstawicielami rodzaju np. Pseudomonas.

Rola powietrza w zakażeniu wody jest istotna w zasięgu dużych gęsto zaludnionych miast i okręgów przemysłowych. Liczebność i rodzaj bakterii w różnych typach wód zależy od klasy czystości oraz zagospodarowania zlewni. Największe wahania w liczebności mikroflory wykazują rzeki przyjmujące na określonych odcinkach swego biegu wody opadowe miast i zakładów przemysłowych. W wodach zanieczyszczonych zdecydowana przewagę maja bakterie: pałeczki gram-. Liczebność i rodzaj bakterii w wodach stojących zależą przede wszystkim od typu zbiornika. Najliczniejsza mikroflorę maja zbiorniki płytkie, szybko ogrzewające się. Największa ilość mikroflory zasiedla strefy przybrzeżne - wpływa na to bezpośredni kontakt z gleba. Pod względem trofii czyli zasobności w pierwiastki biogenne wyróżnia się dwie zasadnicze grupy zbiorników wodnych: oligotroficzne - ubogie i eutroficzne- bogate. Zwykle na początku zbiorniki są bardzo ubogie w składniki pokarmowe. W miarę dopływu różnych substancji z zewnątrz przechodzą w stadium mezotrofii a następnie eutrofii i hipertrofii. Te właśnie procesy wzrostu żyzności i jego konsekwencje nazywa się eutrofizacją i jeśli jest ona umiarkowana a jej efekty korzystne traktuje się ją jako użyźnianie. Natomiast jeśli jest nadmierna, a efekty niekorzystne, traktuje się jako zanieczyszczenie nadmiarem substancji biogennych. Do pewnego momentu wzrost żyzności wody powoduje wzrost liczebności organizmów w wodzie, a co za tym idzie ogólne zwiększenie bogactwa i intensywności życia. Następnie po osiągnięciu nadmiernego poziomu żyzności wyprodukowana substancja organiczna powoduje zakłócenia w normalnym funkcjonowaniu ekosystemu. Wiele gatunków wchodzących w skład fitoplanktonu wydziela substancje które ograniczają rozwój innych gatunków glonów a także bakterii. Niektóre bakterie wydzielają do środowiska wodnego enzymy, które mogą powodować rozkład żywych komórek glonów (liza). Bakterie korzystają w ten sposób z uwolnionej substancji organicznej jako substratu pokarmowego. Rozwijają się szczególnie obficie w okresie obumierania glonów. Następują coraz większe różnice stężeń tlenu w powierzchniowych warstwach wody i warstwach dennych. W konsekwencji powstają warunki sprzyjające tworzeniu się produktów niepełnego rozkładu substancji organicznych w tym głównie nadmiernych ilości siarkowodoru a także metanu. Symptomem eutrofizacji są zakwity spowodowane masowym rozwojem glonów w powierzchniowych warstwach wód, a co za tym idzie występowaniem specyficznych zabarwień i pogarszaniem się jakości wód. Proces naturalnej eutrofizacji przebiega powoli, znacznie szybciej przebiega proces eutrofizacji antropogennej (człowiek).

  1. Osady denne - są charakterystyczne dla zlewni i cech morfologicznych zbiornika. Mogą być pochodzenia autochtonicznego lub allochtonicznego. Pomiędzy wodą a osadami dennymi zachodzi stała wymiana o charakterze skomplikowanych procesów fizycznych, chemicznych
    i biologicznych, która ma duże znaczenie dla zbiornika jako całości. Tlenowe procesy rozkładu składników organicznych osadów dennych przebiegają w górnych warstwach i są źródłem rozpuszczalnych w/w wodzie soli mineralnych, natomiast procesy beztlenowego rozkłady związków organicznych, które przebiegają poniżej powodują wydzielanie do wody często substancji zatruwających środowisko. Osady denne spełniają rolę samooczyszczania wód stojących, gdzie zawiesina organiczna opada na dno z powodu braku ruchu wody. Maja szczególny wpływ na przemianę związków biogennych, które oddziałują na jakość wody. Podstawowym czynnikiem regulującym szybkość przemian azotu i fosforu a także żelaza
    i manganu z osadów dennych do wody jest (przenikania) jest zawartość tlenu rozpuszczonego w warstwie przydennej. Liczebność i skład jakościowy mikroorganizmów w osadach dennych zależą od ilości związków organicznych, mineralnych i innych czynników abiotycznych, np. stężenia tlenu. Wraz z głębokością maleje szczególnie liczba bakterii tlenowych. Stosunek ilościowo jakościowy mikroorganizmów wodnych kierunek przemian biochemicznych a także fizycznych i chemicznych w układzie osad - woda może mieć znaczny wpływ na poziom biogenu (związki azotu fosforu i siarki w zbiorniku, jego użyźnianie, a więc eutrofizację).

Klimax- najbardziej stabilne stadium sukcesji(np. las).

  1. Gleba:

Jest on produktem procesów biogeochemicznych i stanowi najbardziej powierzchniową warstwę skorupy ziemskiej.

Powstaje w wyniku długotrwałych przeobrażeń skały macierzystej pod wpływem klimatu
i organizmów żywych. Bardzo istotnym elementem w procesie powstawania gleby jest materia organiczna w wytwarzaniu której prekursorami są autotrofy, które kumulują w swoich ciałach materię organiczną i umożliwiają z czasem rozwój heterotrofów.
Na rozwój organizmów w danym środowisku wpływa wiele czynników które dzielimy na:

Gleba jest doskonałym siedliskiem dla mikroorganizmów, ma strukturę heterogenną, to znaczy, że w małej objętości spotykamy równocześnie lito, hydro i atmosferę w proporcjach charakterystycznych dla różnych rodzajów i typów gleby. Heterogenność ta sprawia, ze w tym samym czasie w środowisku glebowym mogą przebiegać równocześnie przeciwstawne procesy biologiczne np. procesy tlenowe i beztlenowe, syntezy i rozkładu, utleniania i redukcji. W związku z tym glebę można uznać za układ ożywiony w którym żyjące tam organizmy dzięki swojej działalności mają wpływ na utrzymanie w tym środowisku swoistej równowagi biologicznej przeciwdziałając zmianom środowiska mogącym zakłócić tę równowagę. Zdolność taka określamy homeostazy. W tym przypadku polega ona na utrzymaniu na określonym poziomie takich wskaźników jak zawartość humusu oraz przyswajalnych form związków mineralnych, odczynu, pojemności wodnej. Wszelkie zmiany w środowisku uruchamiają mechanizmy homeostatyczne gleby, które dążą do przywrócenia wyjściowego lub uruchamiają nowego stanu równowagi biologicznej. Procesy homeostatyczne są jednak tylko wtedy możliwe jeżeli nie zostały przekroczone w sposób nieodwracalny pewne wartości progowe.

Litosferę w glebie tworzą części stałe. Składa się ona z substancji mineralnych i organicznych o różnym charakterze fizycznym i chemicznym. W skład substancji mineralnych wchodzą różnego rodzaju kationy i aniony nie organiczne jako podstawowe źródło substancji pokarmowych dla roślin. Bardzo ważnym składnikiem tej frakcji gleby są również minerały ilaste, tzw. ił koloidalny.

Znaczenie koloidów mineralnych dla gleby jest następujące:

Substancje organiczna można podzielić na dwie frakcje:

  1. substancje niepróchnicze, czyli związki organiczne nie zhumifikowane pochodzenia głównie roślinnego i zwierzęcego w stadium początkowego rozkładu,

  2. substancje próchnicowe albo próchnica glebowa, czyli związki humusowe bezpostaciowe, ciemno zabarwione o właściwościach koloidów organicznych powstające w glebie w procesach biotycznych i abiotycznych. Pełnią one w glebie te same funkcje co koloidy mineralne, a oprócz tego stanowią dla mikroorganizmów substancje pokarmowe będące źródłem materii budulcowej i energetycznej, która może być wykorzystana w przypadku wyczerpania się zasobów łatwiej dostępnych składników pokarmowych.

Powstałe w wyniku przemian resztek roślin, mikroorganizmów i innych metabolitów substancje humusowe są ciemno zabarwioną trudno rozkładającą się masą. Składniki cumulusu mają charakter kwasowy.

W glebie łączą się z wapniem i innymi kationami. Pod względem chemicznym substancje humusowe są trudne do zidentyfikowania.

Humus jest to złożony kompleks i wyróżnić w nim można3 podstawowe frakcje:

  1. kwasy huminowe - skarbonizowane o stosukowo drobnych cząsteczkach, mało rozbudowanym jądrze
    i licznych łańcuchach bocznych, rozpuszczalne w zasadach i kwasach

  2. kwasy fulwowe - rozpuszczają się tylko w zasadach

  3. huminy - najmniej ruchliwa substancja, bardziej skondensowana od poprzedniej i nierozpuszczalna w zasadach i kwasach.

Gleba jest układem niezwykle dynamicznym co oznacza że przebiegają w niej równocześnie procesy rozkładu
i syntezy powodując stałe odnawianie pokładów humusów.

Hydrosfera - woda z rozpuszczonymi w niej substancjami. Stanowi dobre środowisko dla mikroorganizmów.
Z nawilgoceniem gleby związane jest ciśnienie roztworu osmotycznego zwiększające się w miarę przesuszenia gleby.

Roztwory glebowe odznaczają się właściwościami buforowymi, czyli zdolnością przeciwstawiania się
w reakcjach.

Tworzą się w glebie układy decydujące o kierunku i charakterze reakcji biochemicznej i chemicznej. Woda stanowi rodzaj przenośnika składników pokarmowych. Wywiera też duży wpływ na wymianę gazowa w glebie, a przede wszystkim decyduje o zawartości w niej powietrza, stanowi dla niego czynnik konkurencyjny.

Atmosfera gleby - wypełnia wolne przestrzenie nie zajęte przez wodę , jej ilość waha się od 8 do 30% V wody. Różni się ona od powietrza atmosferycznego, ponieważ podczas działalności mikroorganizmów w jej skład wchodzą siarkowodór, amoniak i inne gazy.

Tlen rozmieszczony jest nierównomiernie a jego zawartość jest zazwyczaj wyższa niż w atmosferze naziemnej w przeciwieństwie to dwutlenku węgla.

Wykorzystanie tlenu idzie zazwyczaj w parze z wytwarzaniem dwutlenku węgla, a także ich zawartości w powietrzu glebowym, z reguły wskazuje to korelację ujemną.

Gleby zawierają ogromna liczbę mikroorganizmów, które zależą od warunków klimatycznych i rodzaju gleby.

Najczęściej liczebność tych organizmów określa się na 1 g suchej gleby, np.: liczba bakterii dla gleby żyznej wynosi od 1-5 mld w jednym gramie. Mikroorganizmy gromadzą się wokół korzeni roślin i warstwie próchniczej gleby, gdzie znajdują zasobne źródła pokarmu. Gleby zamieszkują głownie organizmy glebowe, docierają wiec do tych głębokości, do których jeszcze dochodzi powietrze, największa ich koncentracja jest na głębokości od5 do 20cm pod glebą.

W ciągu roku możemy zaobserwować 2 okresy wzmożonego rozwoju mikroorganizmów:

  1. Wiosną, gdzie z nadejściem wyższych temperatur następuje przebudzenie ziemi.

  2. Jesienią, po dostarczeniu glebie materii organicznej w postaci resztek roślinnych, stanowiących źródło pokarmów dla mikroorganizmów glebowych, wiele pozostaje w stanie spoczynku inne pozostają aktywne.

Miedzy gatunkami istnieje daleko posunięta specjalizacja, polegająca na zdolności wykorzystywania różnych substratów, co umożliwia współistnienie w danym środowisku wielu mikro nisz ekonomicznych.

Rozwój mikroorganizmów w glebie zależy od:

Mikroorganizmy glebowe są bardzo zróżnicowane i obecnie stosuje się następujące kryteria i podziały:

  1. Klasyfikacja naturalna - stosowana do rozróżnienia dużych grup taksonomicznych, tj.: bakterie, promieniowce, drożdże, grzyby pleśniowe i glony

  2. grupy morfologiczne - podział ten stosuje się wówczas. gdy potrzebne jest szybkie sklasyfikowane dużego zespołu bakterii na określone grupy. Wyróżnia się wtedy najczęściej: ziarniaki, pałeczki, laseczki, bakterie gram - i gram + przetrwalnikujące i nieprzetrwalnikujące.

  3. grupy fizjologiczne - kryterium podziału stanowią tu cechy fizjologiczne. Stanowi to również charakterystykę mikroorganizmów pod względem funkcjonalnym, uwzględniając ich stosunek do warunków środowiska [wyróżnia się tu: autotrofy i heterotrofy, protrofy i autotrofy (te mikroorganizmy, aby mogły się rozwijać muszą pobierać z gleby bardzo złożone związki np.: aminokwasy czy witaminy) tlenowce, beztlenowce, mikroareofile, sychrofile, termofile, mezofile] lub zdolności metabolicznych [można wyróżnić miedzy innymi celu lityczne - rozkładające celulozę, proteolityczne rozkładające białka, mineralizujące organiczne związki fosforu, uwalniające jony fosforanowe z organicznych związków fosforu, wiążące wolny azot cząsteczkowy, nitryfikacyjne utleniające amoniak do azotynów, azotyny do azotanów denitryfikujące azotany siarkowe utleniające siarkowodór i inne zredukowane formy siarki i siarczanu i redukujące siarczany]

UDZIAŁ MIKROORGANIZMÓW W KRĄŻENIU MATERII I ENERII W EKOSYSTEMACH

Ekosystemy wodne i lądowe zasiedlane są przez biocenozę, skład biocenozy jest zróżnicowany pod względem jakościowym i nie mniej można stwierdzić, że jest on zrównoważony i stanowi zespół, którego funkcje fizjologiczne organizmów gwarantują możliwie zamkniętą cyrkulacje związków chemicznych w środowisku.

W takim ekosystemie dopływ substancji organicznych, łącznie z biomasą równoważy się w określonym czasie z ich rozkładem i ich ewentualnym odpływem. Za równowagę w takim ekosystemie odpowiedzialne są 2 grupy czynników. Biotyczne i abiotyczne.

Strukturę biocenozy można rozpatrywać w aspekcie istnienia w jej obrębie łańcucha, w który m występują 3 różne poziomy:

  1. Producenci - to organizmy samożywne. Odżywanie ich polega na tworzeniu substancji organicznej
    z nieorganicznej. Należą do nich rośliny wyższe oraz niższe, a także bakterie zdolne do chemo- lub fotosyntezy.

  2. Konsumenci - to organizmy zwierzęce, odżywiające się materią organiczną, uzależnieni od producentów. Podczas oddychania wydzielają dwutlenek węgla do środowiska przyczyniając się do przemian najważniejszych pierwiastków biogennych CNF.

  3. Reducenci - to bakterie i grzyby saprofityczne. Materiał którym się żywią stanowi martwe ciała konsumentów, producentów i reducentów, a także odchody konsumentów oraz inne organiczne produkty przemiany innych organizmów. Przemiana materii u reducentów jest bardzo zróżnicowana, jednak z ekologicznego punktu widzenia czynnikiem różnicującym jest substrat pobierany przez dany mikroorganizm i to, co stanowi końcowy produkt.

Rolę mikroorganizmów w krążeniu energii i materii charakteryzują obiegi poszczególnych pierwiastków pomiędzy środowiskiem a żywymi organizmami. W środowisku związków wyróżniamy: węglowodany, (cukry, proste kwasy uronowe i pochodne), kwasy organiczne (octowy, pirogronowy), związki aromatyczne (fenole ligniny i tiamina), związki hydrofobowe (węglowodory, woski, tłuszcze).

Szczególnie ważną rolę spełniają mikroorganizmy biorące udział w rozkładzie powszechnie występujących
w środowisku wielkocząsteczkowych substancji tj.:

  1. Celuloza - jest substancją wielkocząsteczkową, tak duże cząsteczki nie mogą być pobierane przez mikroorganizmy bezpośrednio lecz muszą ulec hydrolizie enzymatycznej.

Kompleks enzymatyczny powodujący rozkład celulozy, określa się nazwą „celulazy”.

Proces ten przebiega w 2 fazach:

  1. Pod wpływem enzymu łańcuch celulozy rozkłada się na krótsze elementy rozpuszczalne w wodzie.

  2. Również pod wpływem enzymów następuje dalsze rozbicie polimerów do 2-3-4 cukru natomiast dalszy rozkład tych cukrów prowadzony jest przez beta glukozydaze do glukozy. Cukry proste mogą być przyswajane przez komórkę i stanowić substrat do miedzy komórkowych procesów metabolicznych


W środowisku błonnik rozkładają organizmy tlenowe i beztlenowe. Z tlenowych najbardziej aktywne są bakterie z rodzaju Cytofaga i Sporocytofaga. W warunkach beztlenowych celuloza jest rozkładana przez mezo- i termofile z rodzaju Clostridium.

  1. Skrobia - stanowi główną substancję zapasową roślin. Jest polimerem i jej rozkład przebiega również w 2 etapach:

  1. etap rozkładu - okres zwany jest jako dekstryno twórczy natomiast 2

  2. etap rozkładu - cukrotwórczy

Mikroorganizmy rozkładające skrobie to tzw. mikroorganizmy amylylolityczne. Należą tutaj bakterie
z rodzaju : Amonobakteri, Bacillus, Clostridium, Clavobacterium, Pseudomonas.

Procesy przemian związków azotowych, na które składają się określone kwasy w cyklu krążenia azotu
w przyrodzie odbywają się przede wszystkim w glebie i w wodach powierzchniowych.

Wielkocząsteczkowe związki azotowe tj. białka, kwasy nukleinowe, lipoproteiny rozkładane są przy udziale zewnętrznych komórkowych hydrolaz do monomerów wykorzystywanych przez komórki mikroorganizmów jako substraty ich metabolizmu.

Zdolność rozkładania białek jest bardzo rozpowszechniona przebiega w kilu etapach:

  1. Peptydohydrolazy hydrolizuja białka na prostsze związki - polipeptydy , na polipeptydy działają
    z kolei hydrolazy aminokwasowe rozkładając zewnętrzne, wiązania peptydowe. Enzymy proteolityczne wytwarzane są przez liczne gatunki z rodzaju Pseudomonas, Bacillus, Clostridium. Te mikroorganizmy określane są jako mikroorganizmy proteolityczne.Rozkład peptydów z uwalnianiem aminokwasów może przebiegać w korzystny sposób w zależności od mikroorganizmów, od dostępu tlenu, temperatury, obecności węglowodanów.

  2. Kolejnym etapem rozkładu jest amonifikacja. Aminokwasy mogą być rozkładane przez liczne mikroorganizmy określane jako mikroorganizmy amonifikacyjne. Uwalniane amoniaku z aminokwasów czyli proces amonifikacji powodują swoiste enzymy, zwane deaminazami. Reakcje te mogą przebiegać na jednoczesnym hydrolizowaniu, redukowaniu lub utlenianiu aminokwasów. Aminokwasy mogą być rozkładane według następujących reakcji:

Te 3 przykłady stanowią deaminacje bez dekarboksylacji

Rozkład mocznika:

Mocznik jest produktem rozkładu białek w organizmach zwierzęcych. W dużych ilościach występuje
w odchodach ludzkich i zwierzęcych, z którymi dostaje się do wód i do gleby. Rozkładają go liczne mikroorganizmy. Jest procesem hydrolitycznym przeprowadzanym przez enzym ureazę. Do bakterii mocznikowych zaliczamy liczne gatunki głównie tlenowe.

Amoniak w środowisku wodnym i glebowym jest wydzielany w wyniku tlenowego lub beztlenowego rozkładu związków organicznych zawierających azot. Jest on łatwo przyswajalnym źródłem azotu dla roślin oraz bakterii autotroficznych i heterotroficznych.

W warunkach tlenowych nadmiar amoniaku jest utleniany do azotanów w procesie nitryfikacji.


Nitryfikacja przebiega w 2 fazach, które przeprowadzane są przez odmienne grupy bakterii żyjących w symbiozie:

  1. Polega na utlenianiu jonów amonowych do azotynów. Proces ten przeprowadzają drobne pałeczki
    z rodzaju Nitrosomonas, bakterie żyjące w skupiskach spojonych, cysty z rodzaju Nitrospira, ziarniaki z rodzaju Nitrosococcus. Powstający kwas azotawy jest silnie toksyczny dla tych bakterii.

  2. Polega na utlenianiu azotynów do azotanów. W reakcji tej biorą udział bakterie z rodzaju Nitrobakter i Nitrocystis. Wodny amoniak hamuje hemosyntezę tych bakterii.

Nitryfikatory są zdolne do syntezowania połączeń organicznych ze składników mineralnych.

Węgiel czerpią z dwutlenku węgla, a energie do syntezy i redukcji dwutlenku węgla z utleniania zredukowanych związków mineralnych.

Są bezwzględnymi tlenowcami, od ilości tlenu zależy szybkość nitryfikacji. Rosną na pożywkach mineralnych o pH 7,7 - 8.

Proces nitryfikacji rozpoczyna się przy temp 5˚C, jego optimum od 20-29˚C, a w temp. 50˚C bakterie giną. Bakterie nitryfikacyjne absorbują się zwykle na powierzchni.

Hamująco na wzrost bakterii nitryfikacyjnych działa pepton i niektóre aminokwasy. ]

Proces nitryfikacji mogą przeprowadzać także heterotrofy. Utleniają one jednak sole amonowe do azotynów znacznie słabiej niż autotrofy. Nitryfikacje heterotroficzna mogą prowadzić promieniowce i grzyby.

Redukcja azotanów może przebiegać 2 szlakami:

  1. Asymilacyjnym - ma on miejsce u roślin i mikroorganizmów, wykorzystujących w biosyntezie azotany jako źródło azotu.

  2. Dysymilacyjnym - występuje w warunkach beztlenowych, kiedy fakultatywne beztlenowce korzystają z azotu jako końcowego akceptora wodoru.

Denitryfikacja zachodzi w środowisku beztlenowym w obecności azotanu i łatwo przyswajalnej substancji organicznej, zwłaszcza prostych węglowodanów lub kwasów organicznych w temp 20-29˚C przy pH
w granicach 7,2-8,2.

SIARKA wchodzi w skład białek i odgrywa bardzo ważna role w metabolizmie organizmów. Rośliny i liczne mikroorganizmy przyswajają siarkę w postaci siarczanów.

Do wody i gleby pierwiastek ten dostaje się z resztkami roślinnymi i zwierzęcymi w postaci połączeń organicznych. W środowiskach tych żyją liczne bakterie rozkładające białka i inne polaczenia organiczne siarki z wydzielaniem siarczków lub siarkowodoru. Gaz ten gromadzi się w warunkach beztlenowych w środowisku o znacznej zawartości substancji organicznej oraz siarczanów i triosiarczków. Jest to proces analogiczny do denitryfikacji.

FOSFOR jest podstawowym składnikiem każdej żywej komórki, związany jest z jej składnikami strukturalnymi, kwasami nukleinowymi, nuklopoteidami i związkami odpowiedzialnymi za akumulacje oraz dystrybucje energii ADP i ATP. W wodach i glebie fosfor w formie przyswajalnej wystepuje w znikomych ilościach. Główne źródła fosforu w wodach stanowią związki organiczne. W związkach mineralnych fosfor związany jest głownie z magnezem, żelazem lub glinem tworząc trudno rozpuszczalne fosforany. Wzrost organizmów w środowisku zależy od rozpuszczalności.


Dużą role w przemianach rożnych postaci fosforu, odgrywają mikroorganizmy. W wodach i glebie organiczne związki fosforu pochodzą głownie z martwych organizmów które zawierają : nukleon, kwasy nukleinowe, fosforiloe, cukry, fosfolipidy i związki pokrewne. Związki te pod w wpływem swoistych enzymów ulęgają mineralizacji. Szczególną rolę odgrywają fosfatazy kwaśne i alkaiczne.

Część uwolnionego fosforu wykorzystują mikroorganizmy, a część może łączyć się w środowiskach wodnych
z kationami wapnia, magnezu, glinu lub żelaza. W uwalnianiu fosforu sprzyjają: podwyższona temperatura, zasadowy odczyn oraz warunki tlenowe.

Związki nieorganiczne fosforu w glebie i w wodach dennych są przeważnie nierozpuszczalne. Są to głownie fosforany wapniowe, żelaza lub glinu.

Aktywność biochemiczna mikroorganizmów powoduje rozpuszczanie się fosforanów wapiennych w środowisku. Jest to wynikiem zdolności tych mikroorganizmów do wydzielania rożnych kwasów przeprowadzających te reakcje.

Mikroorganizmy wytwarzają w glebie i osadach dennych zarówno kwasy mineralne jak i organiczne. Do najczęściej spotykanych w środowisku kwasów mineralnych należy slaby kwas węglowy a także silne kwasy: siarkowy azotawy. Najczęściej spotykane kwasy organiczne to: cytrynowy octowy propionowy.

Chlorophyta (zielenice)
Chlorophyta są grupą monofiletyczną. Złożoność ich budowy jest bardzo zroznicowana. Od ruchliwych organizmow jednokomorkowych poprzez formy nitkowate i cenocyty po plechy o skomplikowanej budowie. Wystepuja w wodach słodkich i slonych, w glebie, a także na niektórych roslinach i zwierzetach.

Wiekszosc ma sciany komorkowe zbudowane z celulozy, czasem impregnowane krzemionka lub weglanem wapnia. Sciany mogą być włókienkowate jak u grzybow.

Komórki chlophyta zawierają: jadra, mitochondria, rybosomy, aparat Golgiego i chloroplasty. Wewnętrzna budowa komórki opiera się na sieci mikrotubul i retikulum endoplazmatycznego.

Wykazują niezwykle zróżnicowaną budowę. Mogą być duże i pojedyncze lub może być ich wiele.

Maja rożne kształty na przykład kształt wstążki czy gwiazdek.

Zawierają chlorofile A i B, karotenoidy i gromadzą skrobie.

Maja haploidalna fazę wegetatywną, a rozmnażanie płciowe zachodzi, gdy komórki zamiast dzielić się na 2 są stymulowane do wytwarzania gamet.

Zielenice są często wyposażone w wici w liczbie jednej lub dwóch. Charakteryzują się składem mikrotubul 9+2.

Wici mogą być często osadzone na jednym z końców komórki lub bocznie, przy czym jeśli występuje tylko jedna, zazwyczaj skierowana jest ku przodowi. Jeśli dwie to jedna z nich może być skierowana ku tyłowi. Wić może być w formie gładkiego biczyka lub pokryta drobnymi włoskami lub łuskami.

Obecność plamki ocznej w pobliżu miejsca osadzenia wici pozwala komórce płynąć w kierunku światła.

Ruch wici może być falujący lub śrubowy i może pchać lub ciągnąc tą komórkę przez wodę.

Do protistów zaliczane są jednokomórkowe organizmy heterotroficzne lub fotosyntetyzujace. Mogą być ruchliwe lub nieruchliwe. Zawierają wiele organelli takich jak: jadra, mitochondria, chloroplasty, rybosomy, retikulum endoplazmatyczne, mikrotubule, mikrofimbrie i aparat Golgiego.

Chloroplasty mogą być bardzo zróżnicowane, a ich kształt i występujące w nich barwniki mogą być cechami taksonomicznym. Liczba błon śródplazmatycznych otaczających chloroplast i liczba błon tylakoidów chloroplastu są również ważnymi cechami.

Do unikatowych organelli występujących u protistów należą:

Komórki niektórych tych mikroorganizmów są pokryte pseudohitynowymi łuskami lub płytkami, które mogą być impregnowane wapniem lub krzemionką. Pewne gatunki mają zdolność do wytwarzania cyst w czasie spoczynkowej fazy cyklu życiowego. Cysty te są odporne na niekorzystne warunki środowiska. Grupa ta charakteryzuje się znacznym zróżnicowaniem morfologicznym.

Gatunki unoszące się w wodzie maja kształty opływowe. Zewnętrzna powierzchnia ciała protistów może,
w najprostszym przypadku stanowić naga błonę komórkowa. Naga błona może tworzyć wypustki wypełnione


Wyszukiwarka