Biologia w inżynierii środowiska, w ochronie przed

1.Może wskazać na niebezpieczeństwa wynikające z
działalności człowieka, określając, które związki orga-
niczne : - są rozkładalne, - ulegają kumulacji, -oddziały-
wują szkodliwie 2.Może spełniać pozytywną rolę i akty-
wnie działać we współpracy z inżynierami poprzez:- ule-
pszanie metod biologicznego unieszkodliwiania ścieków
i osadów, wykorzystywanie w praktyce aktywnych mik-
roorganizmów w procesach rozkładu zanieczyszczeń,
- niszczenie mikroorganizmów szkodliwych z punktu
widzenia eksploatacji urządzeń technicznych, - elimina-
cję mikroorganizmów powodujących niekorzystne
załącznizmiany własności fizyko?chemicznych wody przeznaczo-
nej dla celów komunalnych i przemysłowych, - zapobie-
ganie infekcji chorób zakaźnych, - wykorzystanie wskaź-
ników mikrobiologicznych do wyznaczania zasięgu stref
ochronnych wokół obiektów komunalnych, - opracowa-
nie metod skutecznej eliminacji mikrobiologicznych za-
nieczyszczeń powietrza.
Podstawowe pojęcia ekologiczne.
Ekologia- nauka zajmująca się badaniem zależności
pomiędzy organizmami a środowiskiem abiotycznym, w
którym te organizmy żyją. Populacja- grupa osobników
należących do tego samego gatunku, zamieszkujących
ten sam obszar geograficzny w tym samym czasie. Bio-
cenoza- naturalny zespół organizmów złożony z popu-
lacji wszystkich gatunków zasiedlających ten sam teren,
wchodzących ze sobą we wzajemne zależności. Gatun-
ek- grupa osobników podobnych pod względem morfol-
ogicznym i funkcjonalnym. Ekosystem- biocenoza wraz
z nieożywionym środowiskiem. Biosfera- tworzą ją wszy-
stkie biocenozy naszego globu ziemskiego, organizmy u-
zależnione są od nieożywionego środowiska tj. atmosfe-
ry, hydrosfery, litosfery . Nisza ekologiczna- specyficz-
ne miejsce danego gatunku w strukturze biocenozy, któ-
rego nie dzieli z innym gatunkiem. Jest to całość inerak-
cji w jakie dany gatunek wchodzi ze środowiskiem bioty-
cznym i abiotycznym.Siedlisko- miejsce stanowiące na-
turalne środowisko życia organizmów. Biomasa=żywa
masa- łączna masa wszystkich organizmów w siedlisku.
Klasyfikacja ekologiczna org. słodkowodnych.
Podstawa podziału- sposób lub forma życia.
Bentos- organizmy zwierzęce i roślinne osiadłe lub
przytwierdzone do dna, zamieszkujące osady denne.
Peryfiton- organizmy osiadłe, przyczepione do łodyg i
liści lub przedmiotów wystających nad dnem. Plankton-
organizmy pływające: zooplankton, fitoplankton. Nek-
ton- organizmy pływające zdolne do przemieszczania
się, np. ryby.
Podstawa podziału- funkcja w łańcuchu pokarmow.
Producenci- twórcy materii organicznej w ekosystemie
zdolni do wiązania energii świetlnej. Organizmy samo-
żywne. Odżywianie polega na tworzeniu związków org-
anicznych ze związków nieorganicznych. Rośliny zako-
rzenione: makrofity. Glony: okrzemki, zielenice, sini-
ce (bakterie). Konsumenci- organizmy cudzożywne,
odżywiające się gotową substancją organiczną w posta-
ci martwej lub żywych roślin i zwierząt. Wszystkie typy
zwierząt: pierwotniaki zwierzęta wyższe. Destru-
enci- bakterie cudzożywne, grzyby wodne, żywiące się
detrytusem tj. martwymi ciałami producentów, konsu-
mentów i destruentów.
Istotnym warunkiem funkcjonowania zbiornika wodnego
jest tlen. Związki nieorganiczne są czynnikiem wewnęt-
rznym w zbiorniku wodnym. Związki te są solami pokar-
mowymi dla roślin, które wykorzystując związki nieorga-
niczne i CO2 tworzą związki organiczne, będące pokar-
mem dla zwierząt. Wewnątrz tego ekosystemu znajduje
się duża pula związków organicznych- obumarłe ciała
roślin i zwierząt, ścieki organiczne. Ścieki organiczne i
wody spływające zawierają poza związkami organicz-
nymi także pestycydy. Odpływ z oczyszczalni powinien
zawierać substancje nieorganiczne, CO2, siarczany, azo-
tany. Aby można było je wpuścić do zbiorników wodnych
powinny być w stężeniu nie powodującym zakwitu.
Układ zamknięty- Produkcja pierwotna wymaga dopły-
wu energii przy wykorzystaniu CO2. Tworzy się biomasa
roślinna, czyli produkcja pierwotna. -Konsumenci odży-
wiają się roślinami, oddając część energii ze związków
organicznych. Następuje obumieranie i tworzy się detri-
tus- martwe szczątki organiczne roślin i zwierząt i nas-
tępuje rozkład przy utracie energii (dopływ tlenu). Destru-
enci rozkładają organizmy i przy udziale substancji allo-
chtonicznych (ze ścieków organicznych) tworzą się so-
le pokarmowe. Prawidłowe funkcjonowanie tego układu
powodować będzie tlen. To powoduje powstanie ekosys-
temu otwartego. Ekosystem funkcjonuje prawidłowo,
kiedy istnieje równowaga pomiędzy czynnikami abiotycz-
nymi (składniki chemiczne i cechy fizyczne wody) a bio-
tycznymi (producenci, konsumenci, destruenci).
Wirusy
To organizmy nieco odmienne od innych mikroorganiz-
mów. W cząsteczce wirusów nie występują jednocześ-
nie oba kwasy nukleinowe. Jedynie albo RNA, albo
DNA. Organizmy te nie są zdolne do wytwarzania en-
zymów. Zawierają informację genetyczną, lecz nie
są w stanie jej przekazać. Nie są zdolne także do żad-
nych procesów metabolicznych (oddychanie, namna-
żanie) oraz do zdobywania energii.
Żyją one w innych organizmach (bakteriach, roślinach,
zwierzętach). Bakteriofagi, czyli wirusy bakteryjne po-
wodują rozpuszczenie się bakterii. U rosłin wirusy po-
wodują choroby (np. liści tytoniu), wirusy zwierzęce są
natomiast bezwzględnie chorobotwórcze.
Wirusy otoczone są osłonkami, chroniącymi je przed
szkodliwym wpływem środowiska poza żywicielem. Po-
za tym powodują to, że wirusy bez trudu wnikają do ko-
mórek żywiciela i ułatwiają wprowadzenie kwasu nukle-
inowego do wnętrza komórki żywiciela.Budowa ko-
mórki prokariotycznej.
Osłony komórkowe- zewnętrzna-ściana komórkowa,
na powierzchni niekiedy występuje otoczka śluzowa, a
pod ścianą- błona cytoplazmatyczna. 1) Ściana ko-
mórkowa- złożona jest z wielocukrów, białek i tłusz-
czów. Jest wielowarstwową strukturą o licznych porach,
umożliwiających transport gazów oraz przenikanie zwią-
zków wielocząsteczkowych. Ściana komórkowa nie bie-
rze udziału w procesach fizjologicznych komórki.
2) Otoczka śluzowa- jest warstwą trudnorozkładalnych
wielocukrów, chroniącą komórkę przed utratą wody,
oraz przed szkodliwym wpływem czynników zew-
nętrznych. 3) Rzęski- to nitkowate twory o różnych
kształtach, zaczepione w błonie cytoplazmatycznej. Ty-
py urzęsienia: 1 rzęska- monotrichalny, biegunowo-
lofotrichalny, dookoła komórki- peritrichalny. Bakter-
ie kuliste nie są urzęsione.
Struktury wewnętrzne- 1) Błona cytoplazma-
tyczna- złożona z białek i tłuszczów, jest organem po-
bierania pokarmu, transportuje substancje odżywcze i
gazy. Pokarm może pobierać: - biernie- na zasadzie
różnicy stężeń w komórce i na zewnątrz, -wybiórczo-
tylko substancje rozpuszczalne w tłuszczach, - przez
permeazy- enzymatyczne przenośniki (procesy enzy-
matyczne). W błonie znajdują się enzymy i przenoś-
niki wodoru- czynne w procesach oddychania i maga-
zynowania energii. Z błony powstają ciałka chromato-
forowe (barwniki występujące u roślin i niektórych bak-
terii) zastępujące u bakterii fotosyntetyzujących oraz -
u sinic chloroplasy roślinne. 2) Cytoplazma- znaj-
duje się we wnętrzu komórki. Jest koloidalną zawie-
siną zawierającą związki organiczne (węglowodany,
białka, tłuszcze), sole (Na, K, P, Fe, Mn), oraz witami-
ny i koenzymy. W ściekach trudnorozpuszczalne bę-
dą związki organiczne wytworzone na drodze syntezy
chemicznej np. plastiki, detergenty (z węglowodorów),
pestycydy. Związki te zwane są opornymi. 3) Nukleoid-
jeden lub dwa, zbudowany jest z długiej, podwójnej
spirali DNA, zamkniętej w kolisty twór, spełnia podsta-
wowe funkcje jądra. 4) Organelle cytoplazmatyczne-
rybosomy- RNA+białko, centra syntezy białek, - me-
zosomy- twory błoniaste, centra energetyczne, -ciałka
chromatoforowe- u bakterii fotosyntetyzujących.
Postacie przetrwalne- przetrwalniki (endospory)-
dzięki nim komórka może przetrwać w trudnych warun-
kach, zabójczych dla form wegetatywnych. Spory to
zagęszczenia w protoplazmie, które przeżywają w nie-
korzystnym środowisku, podczas gdy reszta komórki
ginie. Nawet przy 1000C spory mogą przetrwać i wykieł-
kować po ustąpieniu szkodliwego czynnika. Większość
bakterii chorobotwórczych nie ma spor.
Budowa komórki eukariotycznej.
1) Ściana komórkowa- zbudowana u roślin z celulozy,
a grzybów z chityny. U zwierząt brak. 2) Błona cyto-
plazamtyczna- zbudowana z białek i tłuszczów, odpo-
wiada za transport pokarmu do wnętrza komórki, wy-
dzielin i wydalin na zewnątrz. 3) Jądro- ma kulisty
bądź owalny kształt, zawiera geny, jest komieczne do
procesów przemiany materii: do syntezy kwasów nu-
kleinowych i białek, warunkujących wzrost i rozmnaża-
nie komórki. Otoczone jest dwuwarstwową błoną jądro-
wą, wewnątrz której zanjdują się pory, poprzez które
zawartość jądra łączy się z cytoplazmą. W półpłynnej
substancji podstawowej jądra znajdują się taśmowate
twory- chromosomy zbudowane z DNA i białek, w któ-
rych są geny. W jądrze znajduje się także jąderka w li-
czbie ściśle określonej dla danego gatunku. 4) Cytopla-
zma- jest półpłynną substancją podstawową, w której
zawieszone są ziarnistości, wakuole, struktury pałe-
czkowate, struktury nitkowate. Znajdują się: - retiku-
lum cytoplazmatyczne- szereg błon, miejsce reakcji
metabolicznych (enzymy), -rybosomy- znajdują się na
błonach i służą do syntezy białek, - układ Golgiego-
pełni funkcje wydalnicze, - lizosomy- ciałka zawierają-
ce enzymy hydrolizujące wielocząsteczkowe związki
komórkowe odpowiedzialne za lizę komórek, - waku-
ole- są pęcherzykowatymi przestrzeniami pełniącymi
rolę substancji zapasowych; ziarna skrobi, białek, lub
kropelki tłuszczów, - plastydy- chloroplasty, chromo-
plasty, Fe, Cu, Mn, Zn, enzymy 5) Mitochondria- ich
główną funkcją jest dostarczanie energii, tutaj też znaj-
dują się enzymy cyklu Krebsa.
Podstawowe podobieństwa i różnice w bud-
owie komórek prokariotycznych i eukariotycznych.
CECHY PROKARYOTA EUKARYOTA
Aparat jądr. brak jądra, nukleoid Jądro z błoną,
zbudowany z DNA w chromosomami,
postaci spirali podwójnej jąderkiem
zamkniętej w kolisty twór
Centra energet. Mezosomy Mitochondria
Centra synt. białek Rybosomy Rybosomy
Wakuole Brak obecne
Retikulum, ap. Golg. Brak obecne
Plastydy ziarna chromato-
forowe (niekiedy) chloroplasty (rośl.)
Skład chemiczny bakterii.
Woda jest środowiskiem reakcji i stanowi od 73-
85.9% wilgotnej masy (komórki). Resztę stanowi su-
cha masa, do której należą: 1) Węgiel- 50.5-64.01%
suchej masy 2) Azot- 6.8-12.28% suchej masy, 3) Po-
piół- 1.34-13.86% suchej masy 4) Białka- 42-63% su-
chej masy, w tym: - białka rybosomów- 4-9% suchej
masy, - kwasy rybonukleinowe- ok. 15% suchej masy,
- kwas dezoksyrybonukleinowy- ok. 2% suchej masy,
- wielocukry- ok. 10% suchej masy, - lipidy i ciała tłu-
szczowe- ok.10% (3-23%) suchej masy. Woda stano-
wi środowisko reakcji biochemicznych i bierze udział
w następujących reakcjach: - hydrolizy- proces rozpa-
du dużych cząstek na mniejsze (wielocukry do cukrów
prostych, białka do aminokwasów, tłuszcze do glicerolu
i kwasów tłuszczowych), - uwodorowania- związane z
utlenianiem i redukcją, - uwodnienia- przyłączenie czą-
steczki H2O, - utleniania. Cząsteczki wody rozpadają
się na jony H+ i OH-. Jon H+ jest aktywny w zdobywaniu
energii.
Białka pełnią trzy funkcje: - enzymatyczną, - struktu-
ralną, - ruchu
Kwasy nukleinowe: - DNA- informacja genetyczna,
- RNA- synteza białek
Wielocukry: - materiały zapasowe
Lipidy: - funkcje strukturalne , materiały zapasowe
Składniki popiołowe: Zn, Mg, Fe, Mn, Mo
Związki drobnocząsteczkowe: - witaminy, - czynniki
wzrostowe
Kwasy nukleinowe. Zbudowane są z łańcuchów nu-
kleotydowych, nukleotydy zaś z: -zasady organicznej ,
- cukru pięciowęglowego (pentozy), - reszty fosfora-
nowej
Wyróżnia się dwa typy kwasów:
dezoksyrybonukleinowy rybonukleinowy RNA
DNA ( inf. Genetyczna) (synteza białek)
dezoksyryboza cuk. pięciowęglowy ryboza (2gr. OH)
adenina, guanina zas. purynowe adenina, guanina
tymina, cytozyna zas. pirymidynowe uracyl, cytozyna
Łańcuch nukleotydowy składa się z nukleotydów
(zasada, cukier, fosforan). Grupy cukrowe i fosforano-
we spełniają rolę strukturalną. Niezmienny szkielet
DNA to dezoksyrybozy połączone mostkami fosforano-
wymi, elementem zmiennym zaś jest sekwencja zasad.
Wpływ czynników środowiska na mikroorganizmy.
Bakterie: Temperatura- Wrażliwość na wahania
temperatury zależy od gatunku. Obniżenie jej nie działa
zabójczo, zwalnia jedynie aktywność życiową, a przy
dalszym obniżeniu całkowicie wstrzymuje objawy życia.
Mechanizm polega na krystalizacji wody w organizmie,
co powoduje uszkodzenie struktur komórkowych. Pod
względem wymagań temperaturowych bakterie podzie-
lono na: - psychrofilne- zimnolubne, optimum wzrostu
<200C, z niektóre nawet <100C. Temperatura maksymal-
na to 25-300C, niektóre rosną nawet poniżej 00C. Te bak-
terie są istotnym wskaźnikiem zanieczyszczeń wody.
Ich duża ilość świadczy o dużym zanieczyszczeniu w
wodzie np. pitnej. - mezofilne- tolerują wahania, opti-
mum wzrostu 20-400C. Temperatura maksymalna to
40-450C, zanik wzrostu poniżej 100C. Dużo tych bakterii
znajduje się w wodach powierzchniowych. Oznaczając
je można stwierdzić obecność bakterii chorobotwórczych
(dla pasożytów optimum wzrostu to 370C), służą do oce-
ny jakości środowiska. - termofilne- optimum wzrostu
45-600C. Znoszą temperatury dochodzące do 800C, a
niektóre nawet do 960C. Bakterie te są ważnym wskaź-
nikiem wpływów termicznych na wody powierzchniowe.
Stężenie jonów wodorowych (odczyn pH)- większość
bakterii rozwija się przy odczynie obojętnym lub słabo
alkalicznym. Tylko nieliczne bakterie fermentacji np.
mlekowej i niektóre bakterie siarkowe rozwijają się przy
niskim pH (siarkowe pH=1).
Potencjał oksydoredukcyjny- określa zdolność dane-
go układu do oddawania elektronów, a tym samym do
jego utleniania i redukcji innego układu na skutek
przyjęcia elektronów. Wartość potencjału redox środo-
wiska może wahać się w zależności od zmian w dostę-
pie tlenu i działalności metabolicznej mikroorganizmów.
Środowiska natlenione ogólnie charakteryzują się do-
datnią wartością Eh, słabo natlenione- wartością ujem-
ną. Środowiska beztlenowe- niską ujemną wartością.
Zapotrzebowanie na tlen: - tlenowce (aeroby)- rozwi-
jają się tylko w obecności tlenu, Eh od +0.2 do +0.4V, -
względne beztlenowce (mikroaerofile), - beztlenow-
ce (anaeroby)- Eh poniżej -0.2V
Beztlenowce znaleziono wśród bakterii i nielicznych
pierwotniaków. Do względnych beztlenowców zalicza
się wiele różnych gatunków bakterii, w tym chorobot-
wórcze dla człowieka i zwierząt, niektóre grzyby i pier-
wotniaki.
Światło- bakterie poddane bezpośredniemu działaniu
promieni słonecznych po pewnym czasie giną, co jest
związane głównie z działaniem bakteriobójczym pro-
mieni ultrafioletowych, które wchodzą w skład niewido-
cznej części widma słonecznego. Część widzialna wid-
ma słonecznego działa na mikroorganizmy słabo (400-
700 nm).
Promienie ultrafioletowe- przy zastosowaniu odpo-
wiedniego czasu i natężenia promieniowania może
dojść do zupełnego wyjałowienia naświetlanego środo-
wiska. Najsilniejsze działanie wykazują fale o długości
od 2300 do 2750 Angstremów, aborbowane przez
kwasy nukleinowe i białka. Mechanizm bakteriobój-
czego i mutagennego działania promieni UV związany
jest ze zmianami wywoływanymi w kwasach nukleino-
wych, głównie w DNA.
Promienie jonizujące- to czynniki nadzwyczaj aktyw-
ne biologicznie, działają mutagennie a także bakterio-
bójczo. Właściwości jonizujące wykazują niektóre typy
promieniowań elektromagnetycznych o bardzo małej
długości fal, między innymi promienie X, gamma i kos-
miczne). Promienie jonizujące bezpośrednio działają
na kwasy nukleinowe, powodując mylne podstawienia
zasad oraz wypadnięcia odcinków DNA.
Struktura związków organicznych- cukry.
Monosacharydy- cukry powstają w procesie fotosynte-
zy. Zawierają C, H i O. Cukry trójwęglowe to np. alde-
hyd glicerynowy, czy dihydroksyaceton, pięciowęg-
lowe to np. ryboza i dezoksyryboza- składniki kwa-
sów nukleinowych. Cukry sześciowęglowe to wchodzą-
ce w coraz bardziej skomplikowane formy glukoza i
galaktoza (aldehydy), oraz fruktoza (keton). Disa-
charydy- tu przykładami mogą być: maltoza- złożona
z dwóch cząsteczek glukozy, oraz sacharoza- złożo-
na z glukozy i fruktozy. Polisacharydy- złożone są
z wielu cząsteczek cukrów prostych. Przykładami są
tu np. glikogen-cukier występujący w organizmach
zwierzęcych, szczególnie w mięśniach, skrobia- cukier
roślinny, oraz celuloza- stanowiąca podstawę budowy
błon komórkowych, występująca także u roślin.
Rozkładowi łatwiej ulegają cukry proste, ale mimo
wszystko nawet cukry złożone należą do związków łat-
worozkładalnych, powstały bowiem w wyniku fotosyn.
Struktura związków organicznych- tłuszcze.
W tworzeniu tych związków podstawowy udział mają
enzymy. Powstają z połączenia glicerolu z kwasami
tłuszczowymi. Kwasy tłuszczowe decydują o struktu-
rze powstałego tłuszczu. Glicerol, należący do alkoholi
(trójwodorotlenowy), jest substratem reakcji dla wielu
organizmów. Wśród tłuszczów wyróżniamy: - lipidy-
tłuszcze komórkowe, - fosfolipidy- zawierające dodat-
kowo fosfor. (Tłuszcze te biorą udział w transportowa-
niu związków do komórek ), - karetonoidy- te występu-
jące w rosłinach barwniki, to obok hormonów także
związki tłuszczowe. Wśród tłuszczów wyróżnić można:
nasycone (stałe), nienasycone (półpłynne- oleje).
Tłuszcze to najlepsze źródło energii. Z jednej cząste-
czki kwasu palmitynowego (16 węgli) CH3(CH2)14
powstaje 131 cząsteczek ATP. Pierwsza faza rozkła-
du to hydroliza- rozpad dużych cząsteczek na małe,
w wyniku czego powstaje glicerol i kwasy tłuszczowe
(zawierające długie wiązania węglowe). Rozkład tych
kiJeżeli posiadasz łańcuchów dokonuje się przy udziale procesu b?oksy-
dacji, co polega na oddzielaniu kolejno dwuwęglowych
cząsteczek, co powoduje stopniowe skracanie się łań-
tą pracę w postaci plcucha. Dwuwęglowe cząsteczki acetylo?CoA włączają
się do cyklu Krebsa. Jest to podstawowa droga rozpa-
du kwasów tłuszczowych.
Struktura związków organicznych- białka.
Proste: - włókienkowe- mają strukturę włókienkową,
- globularne: właściwe (mniej skomplikowane) oraz
polipeptydy. Złożone- zawierają C, H, O, N, P, S oraz
mogą zwierać chromoproteidy (barwniki). Podsta-
wowym składnikiem białek są aminokwasy zawierające
dwie grupy funkcyjne: - karboksylową- COOH, - ami-
nową- NH2. Aminokwasy mogą być elektrycznie obo-
jętne- niepolarne, lub mieć zróżnicowane potencjały
elektryczne- polarne. Podzielić je można również na:
kwaśne i zasadowe. Najprostszym aminokwasem jest
glicyna- ma mało skomplikowaną budowę. Komplikacją
struktury może być rozbudowywanie łańcucha. Trypto-
fan- jest ważnym aminokwasem biorącym udział w pro-
cesach gnicia. Metionina oraz cysteina to aminokwasy
zawierające siarkę.Podstawowym czynnikiem przemian
biochemicznych są enzymy, które także są białkami.
Białka są wrażliwe na czynniki środowiska i ulegać mo-
gą np. denaturacji. Pierwszym etapem rozpadu białek
jest proces hydrolizy (rozpad większych cząsteczek na
mniejsze). Poprzez peptydy proces ten kończy się na
aminokwasach. Dalsze przemiany związane są z deza-
minacją- odłączanie NH2, w wyniku czego powstają NH3
i ketokwas (dezaminacja zachodzi we wszystkich ko-
mórkach przy udziale enzymu- dehydrogenazy gluta-
minianowej). Kolejny proces to transaminacja- prze-
niesienie grupy NH2 z jednego związku na inny- synte-
za aminokwasów, np. NH2 łączy się z ketokwasem i
powstaje kwas asparaginowy. Dalszy etap to dekarbo-
ksylacja- odłączanie się CO2 od aminokwasów. Pow-
stają wtedy aminy (RCH2-NH2). I aminy i amoniak to
przykłady produktów nieobojętnych dla środowiska,
synteza aminokwasów jest natomiast pozytywna.
Szlaki przemian katabolicznych. Przemiany kataboli-
czne związane są z procesem oddychania. Białka, wę-
glowodany i tłuszcze ulegają w trakcie reakcji biochemi-
cznych pełnej mineralizacji. Na tych przemianach opar-
te są procesy samooczyszczania się wód i gleb.
Pierwszy proces rozkładu prowadzi do powstania ami-
nokwasów, monosacharydów oraz glicerolu i kwasów
tłuszczowych, odpowiednio dla białek, cukrów i tłusz-
czów. Pierwszy stopień rozkładu zachodzi w procesie
hydrolizy. Dalsze procesy oparte są na zmianach do-
tyczących sacharydów. Podstawowym procesem jest
tutaj glikoliza- rozkład cukrów sześciowęglowych do pi-
rogronianu- cukru trójwęglowego.
Pierwsza reakcja rozpadu to odłączenie CO2. Pirogro-
iku .doc, .txt lnian ulega rozkładowi do acetylo?CoA (acetylo?koen-
zym A- dwuwęglowy), wiążącego się ze związkiem czte-
rowęglowym (szczawiooctan). Powstaje cytrynian za-
wierający sześć cząsteczek węgla. Jest to początek
cyklu Krebsa. Ze szczawiobursztynianu wydziela się
jeden węgiel i powstaje pięciowęglowy bursztynian,
który następnie ulega dekarboksylacji do czterowęglo-
wego fumaranu. Cykl porzez czterowęglowy jabłczan
dochodzi z powrotem do szczawiooctanu. Każda prze-
miana zachodzi przy udziale charakterystycznego dla
niej enzymu, który jeżeli zostanie unieszkodliwiony spo-
woduje przerwanie cyklu i tym samym gromadzenie się
produktów pośrednich. Cykl celowo może zostać przer-
wany w celu uzyskania pewnych związków np. do celów
przemysłowych. Od związków wielokrotnie odrywane
są wodory (utlenianie), co z punktu widzenia biologii
jest oddychaniem. Wodory wychwytywane są przez
tlen i powstaje woda.
Glikoliza - Sześciowęglowe związki: glukoza i
fruktoza rozpadają się na: -dihydroksyaceton- służa-
cy następnie do syntezy tłuszczów, - aldehyd glicery-
nowy- ulegający następnie wielokrotnym przekształce-
niom do trójwęglowego kwasu pirogronowego. Pirog-
ronian włącza się do cyklu Krebsa przy udziale acety-
lo?CoA. Tutaj reakcje rozdzielają się na przemianę tle-
nową oraz fermentację (oddychanie beztlenowe).
Schemat glikolizy : - aktywacja glukozy za po-
mocą ATP i druga fosforylacja- tworzy się fruktozo 1,6
difosforan, - rozpad fruktozo 1,6 difosforanu na dwie
cząsteczki trójwęglowe, - odwodorowanie- przeniesie-
nie dwóch elektronów i dwóch wodorów na NAD, - fos-
forylacja, odwodnienie i izomeryzacja- powstaje fos-
foran kwasu glicerynowego? kwas pirogronowy.
Dalsze etapy przebiegają odmiennie w oddychaniu tlen-
owym i podczas fermentacji.
Najważniejsze reakcje cyklu Krebsa: - kwas
pirogronowy ulega dekarboksylacji i powstaje dwuwę-
glowy acetylo?CoA, - kwas szczawiooctowy łączy się
z acetylo?CoA dając w wyniku kwas cytrynowy (sześ-
ciowęglowy). Jest to początek cyklu Krebsa,- sześcio-
węglowy kwas szczawiobursztynowy oddaje CO2 (ule-
ga dekarboksylacji) i powstaje kwas ketoglutarowy
(pięciowęglowy), - kwas ketoglutarowy ulega dekarbo-
ksylacji do czterowęglowego kwasu bursztynowego,
- układ ten z czterema węglami zamyka kwas szcza-
wiooctowy (po reakcjach od kwasu bursztynowego
poprzez fumarowy i jabłkowy- wszystkie czterowęglo-
we).
Jeden obrót tego cyklu dostarcza 15 cząsteczek
ATP. Każda czynność żywego organizmu zależy od
ilości energii z zewnątrz. Łącznie przemiany glikolizy
i cyklu Krebsa dostarczają 34 cząsteczki ATP. Pro-
ces ten odbywa się w mitochondriach komórkowych.
Znaczenie cyklu Krebsa w procesach metabo-
licznych- Rola cyklu Krebsa to:
- dostarczanie energii przydatnej biologicznie , - dostar-
czanie związków wyjściowych do procesu syntezy.
Dwojakie funkcje cyklu Krebsa polegają na uwalnianiu
energii, która jest magazynowana w ATP oraz na wyt-
warzaniu metabolitów pośrednich, będących wyjścio-
wymi związkami do syntezy aminokwasów, tłuszczów
oraz węglowodanów. W wyniku reakcji biosyntetycz-
nych powstają proste związki: cukry proste, amino-
kwasy, kwasy tłuszczowe, zasady purynowe, zasady
pirymidynowe oraz ich polimery: wielocukry, białka,
lipidy, RNA, DNA.
Tłuszcze to najlepsze źródło energii. Z jednej cząs-
teczki kwasu palmitynowego (16 węgli) CH3(CH2)14
powstaje 131 cząsteczek ATP. Pierwsza faza rozkładu
to hydroliza- rozpad dużych cząsteczek na małe, w
wyniku czego powstaje glicerol i kwasy tłuszczowe
(zawierające długie wiązania węglowe). Rozkład tych
ub częścią tekstu są zdłańcuchów dokonuje się przy udziale procesu b?oksy-
dacji, co polega na oddzielaniu kolejno dwuwęglowych
cząsteczek, co powoduje stopniowe skracanie się łań-
jęcia, tabele lub inncucha. Dwuwęglowe cząsteczki acetylo?CoA włączają
się do cyklu Krebsa. Jest to podstawowa droga rozpa-
du kwasów tłuszczowych.
Pierwszym etapem rozpadu białek jest proces
hydrolizy (rozpad większych cząsteczek na mniejsze).
Poprzez peptydy proces ten kończy się na aminokwa-
sach. Dalsze przemiany związane są z dezaminacją-
odłączanie NH2, w wyniku czego powstają NH3 i keto-
kwas (dezaminacja zachodzi we wszystkich komórkach
przy udziale enzymu- dehydrogenazy glutaminiano-
wej). Kolejny proces to transaminacja- przeniesienie
grupy NH2 z jednego związku na inny- synteza amino-
kwasów, np. NH2 łączy się z ketokwasem i powstaje
kwas asparaginowy. Dalszy etap to dekarboksylacja-
odłączanie się CO2 od aminokwasów. Powstają wtedy
aminy (RCH2-NH2). I aminy i amoniak to przykłady pro-
duktów nieobojętnych dla środowiska, synteza ami-
nokwasów jest natomiast pozytywna.
Podstawowe funkcje fizjologiczne bakterii.
Wzrost komórek jest procesem podstawowym.
Oznacza powiększenie masy i rozmiarów, co prowadzi
do powiększenia populacji, i zwiększenia komórek.
Wzrost komórki do pewnej okreœlonej wielkoœci dopro-
wadza do jej podziału. Proces ten zachodzi w wyniku
odżywiania i syntezy nowych składników komórko-
wych. Bakterie dzielą się wówczas na dwie identyczne
komórki potomne. Podstawową więc funkcją jest
synteza prostych składników i ich przekształcanie na
bardziej złożone. Syntetyzowane są: - drobnocząste-
czkowe- aminokwasy, cykry, kwasy tłuszczowe, nukle-
otydy, - wielkocząsteczkowe- białka, wielocukry, lipidy.
Procesy nazywane są anabolizmem. Nowe składniki
komórkowe syntetyzowane są na podstawie poboru
różnych związków. W przypadku pobierania związków
z zewnątrz, np. substancji mineralnych, takich jak:
CO2, NO3-, NH4+, SO42-, P3O43- mamy do czynienia z
autotrofami, zaliczanymi do organizmów samożywn-
ych. Należą do nich roœliny zielone, sinice i niektóre
grupy bakterii. Jeżeli natomiast organizmy wymagają
związków organicznych, zaliczane są do heterotro-
fów, tj. cudzożywnych. Organizmy te czerpią substan-
cje organiczne z gotowych związków, powodując ich mi-
neralizację. Jednoczeœnie powodują ich eliminację ze
środowiska, czyli biodegradację.
O intensywnoœci przemian w œrodowisku decy-
dować będzie iloœć mikroorganizmów. Aby np. usunąć
ze œrodowiska szkodliwe węglowodory, należy dokonać
ich ostatecznej mineralizacji, żadne bowiem mechani-
czne, ani fizykochemiczne działania nie są tutaj efekty-
wne. Tym właœnie zajmuje się biotechnologia.
Związki niezbędne do budowy komórek.
Źródło węgla: - U autotrofów fotosyntetyzujących do
redukcji dwutlenku węgla niezbędna jest energia słone-
czna, u chemosyntetyzujących zaœ energia z utlenia-
nia związków mineralnych: NH4+, H2S, Fe2+, H2. Zwią-
zki utlenione zawirają mało energii, związki zredukow-
ane zaœ są wysokoenergetyczne. Heterotrofy czerpią
energię ze związków organicznych. Prototrofy wyma-
e rzeczy - to załącz je w gają jednego prostego związku organicznego (cukry?
C6H12O6, kwas octowy? CH3COOH), auksotrofy nato-
miast jednego związku prostego oraz związku złożone-
go (witaminy, aminokwasy, zasady purynowe i pirymiy-
nowe). Heterotrofy wymagają także źródeł azotu
(do budowy białek), siarki (do budowy dwóch amino-
kwasów siarkowych: metioniny i cysteiny) oraz fosforu.
Źródło azotu: - NH3, NO3, NO2, N2 oraz związki organi-
czne (-NH2).
Źródło siarki: - głównie SO4, oraz związki organiczne
(-SH-tiolowa).
Źródło fosforu; - PO4.
Źródła wodoru i tlenu: - z wody i powietrza.
Źródła energii wyzyskiwane przez komórkę oraz zu-
życie energii. Synteza składników pokarmowych
oraz pobieranie pokarmu.
Dopływ energii: - chemiczna- związki organiczne i nie-
organiczne, - fizyczna- światło
Zużycie energii: - praca chemiczna- biosynteza, - pra-
ca osmotyczna- transport przez błony, - praca mecha-
niczna- ruch, - praca fizyczna- świecenie
Energia w komórce zatrzymywana jest w komór-
ce w postaci związków chemicznych: ATP, ADP, AMP.
Podczas intensywnej pracy ATP może przekształcić się
w ADP lub nawet w AMP.
Synteza składników komórkowych i pobiera-
nie pokarmu jest procesem energochłonnym. Organiz-
my muszą korzystać ze źródła energii znajdującego się
poza nim. Pierwotnym źródłem energii była energia
świetlna, którą autotrofy fotosyntetyzujące przeksz-
tałcają na energię chemiczną. Może to być energia za-
warta w: - zredukowanych związkach nieorganicz-
nych, - związkach organicznych
Energia powstała z udziałem energii świetlnej za-
nim zostanie zużyta, może być zmagazynowana w
postaci energii chemicznej. W komórkach jest ona prze-
chwytywana przez wysokoenergetyczne związki za-
wierające fosforany: ATP, ADP, AMP. Podczas hydroli-
zy dwóch końcowych reszt fosforanowych uwalnia się
12000 cal w przeliczeniu na jeden fosforan. Hydroliza
AMP daje jesynie 1500 cal, co jest niewystarczające do
funkcjonowania komórki i powoduje jej śmierć.
Odżywianie - Metabolizm, czyli przemiana materii
możliwa jest jedynie, gdy substrat może przeniknąć do
komórki. Anabolizm prowadzi w efekcie do namnoże-
nia biomasy, katabolizm zaś do oddychania. Pokarm
zaspokaja: - budulec- do tworzenia składników komór-
kowych, zapewniając wzrost i rozmnażanie, - surowiec
energetyczny
Pobieranie pokarmu zależy od: - zdolności bak-
terii do samodzielnej syntezy,-dostępności tzw. moż-
liwości wchłonięcia i wprowadzenia do cytoplazmy i
przetworzenia produktu, który może włączyć się w me-
tabolizm, czyli przemianę materii. Na metabolizm
składają się procesy syntezy i wzrostu, czyli anabo-
lizm, oraz procesy uzyskiwania energii z utleniania
związków, czyli katabolizm (oddychanie).
Pobieranie pokarmu u mikroorganizmów mo-
że polegać na:- dyfuzji przez błonę cytoplazmatycz-
ną (ściana komórkowa nie bierze tu udziału), - wnika-
niu związków tłuszczopodobnych wykazujących po-
winowactwo do tłuszczów (barwniki, węglowodory)
przez rozpuszczenie w błonie cytoplazmatycznej za-
wierającej lipidy
Węglowodory to związki sprawiające dużo kłopotów
(np. detergenty), ale rozpuszczone w tłuszczu mogą
być w komórce przekształcone na substancje niesz-
kodliwe- jest to podstawa procesu biodegradacji, -
obecności specjalnych przenośników, tzw. białek
wiążących- permeazów. Na drodze udziału tych
właśnie związków pobierane są przez komórkę me-
tale
Sposoby odżywiania określają następujące
czynniki: - źródło energii, - źródło węgla, - źródło
elektronów
zapotrzeb. źródła organizmy
pokarmwe energii C H
heterotrofy subst. organiczne zwierz, grzyby wo-
dne, bakterie
autotrofy
fotosynt. Światło CO2 H2O(H2S) rośl. zielone,
bakt. siarkowe
(purpurowe, zielone)
autotrofy związki CO2 H2O bakt. utl. : H2S, NH3
chemosynt. nieorg. Fe2+, H2
Jedynie bakterie siarkowe posiadają barwniki i są
zdolne do przeprowadzenia fotosyntezy. Źródłem ele-
ktronów jest dla nich H2S. Bakterie te mogą rozmnażać
się w płytkich stawach (dostęp światła), gdzie usuwają
H2S z często zanieczyszczonej obumarłymi roślinami
wody. Źródłem wielu zanieczyszczeń spowodowanych
brakiem tlenu (co prowadzi do procesu gnicia) jest
amoniak. Bakterie utleniające Fe2+ są niekorzystne,
są bowiem przyczyną korozji instalacji wodnych, nawet
do całkowitej ich perforacji.
Enzymy- biokatalizatory reakcji biochemicznych.
Wszystkie procesy biochemiczne odbywają się przy u-
dziale enzymów. Enzymy przyspieszają reakcje tylko
takie, w których wyzwala się energia, a produkty koń-
cowe zawierają mniej energii niż wyjściowe. Mecha-
nizm działania enzymów polega na zmniejszeniu
energii aktywacji reagujących cząstek. Przebieg reak-
cji może być łańcuchowy i cykliczny. Równanie
reakcji enzymatycznej: E+S ES E+P przy
są znaki k1 i k2, przy jest znak k3, gdzie k1, k2, k3 to
prędkości reakcji, P- produkt. Energia aktywacji to
najmniejsza ilość energii, jaką dostarczyć należy jed-
nemu molowi substratu, aby każda z cząstek była rea-
ktywna. Istnieją dwa progi energii: wyższy,dla reakcji
niekatalizowanych oraz niższy, dla reakcji enzymaty-
cznych. W momencie, gdy katalizatorami są inne zwią-
zki chemiczne, próg ten jest pośredni.
Najprostszy przebieg reakcji jest łańcuchowy.
Jeżeli łańcuch ten zostanie zahamowany, zahamowa-
niu ulegnie także cały proces. Substrat przekształcany
jest w tzw. metabolit (produkt pośrdni reakcji- korzyst-
ny, bądź niekorzystny dla środowiska). Odpowiednie
substraty i produkty pośrednie przekształcane są da-
lej przy udziale charakterystycznych dla danego produk-
u, czy substrtu enzymu. Najlepszą sytuacją jest, aby
końcowym produktem był CO2. Jeżeli łańcuch zatrzy-
muje się zaczynają gromadzić się produkty pośrdnie
(zawarte często np. w wodzie pitnej), które nie powodu-
ją efektów toksycznych, ale mają niekorzystny wpływ na
człowieka.
Inną reakcją jest reakcja cykliczna. Jeżeli tutaj enzym
ulegnie destrukcji to w środowisku gromadzącymi się
metabolitami będą kwasy (cykl Krebsa).
Podstawowym składnikiem enzymu jest apoenzym
(białko), zawierające też część niebiałkową (koen-
zym). Apoenzym i koenzym tworzą razem holoenzym.
Enzym może być reaktywowany do dalszych reakcji.
Kompleks enzym?substrat może rozpaść się na enzym
i substrat, a w przypadku gdy reakcja przebiega nadal-
powstaje produkt, a enzym jest reaktywowany.
Enzym może wysycić się tylko w określonych miejs-
cach. Może przyjąć tylko tyle substratów ile ma ogniw
aktywnych w centrum aktywnym (szczególny frag-
ment enzymu, gdzie bezpośrdnio zachodzi reakcja).
Pozostała ilość zanieczyszczeń (nie przyjęta przez en-
zymy) zostanie w wodzie i nie będzie legać dalszym
przekształceniom.
Rozróżniamy enzymy- pod względem miejsca ich pow-
stawania: - endoenzymy- rozkład wewnętrzny, - egzo-
enzymy- rozkład zewnętrzny oraz, - konstytutywne-
wytwarzane w obecności nowego substratu, początko-
wo nieosiągalnego.
Substratami mogą być skomplikowane związki, nie
mogące wniknąć do komórki. Wtedy wydzielają one
enzymy na zewnątrz, które powodują rozkład złożonych
substratów do związków prostych mogących wniknąć
do komórki. Enzymy konstytutywne posiadają stałe,
dziedziczne cechy. Środowisko nadaje inne cechy i
tu wytwarzają się enzymy adaptacyjne w obecności
nowych czynników. Każdy organizm przekazuje pewne
cechy genetycznie, ale pewne też zostają mu nadane.
Klasyfikacja i właściwości enzymów. Klasyfikacja
enzymów-
Hydrolazy- hydrolityczny rozkład wiązań z przyłą-
czeniem H2O. Wiązania rozrywane są na zewnątrz,
enzymy te więc wytwarzane są na zewnątrz komórki.
To początkuje reakcje biochemiczne. Oksydoredu-
ktazy- warunkują oddychanie, odłączają H2 i przeno-
szą na inne związki. Rozróżnia się: - dehydrogenazy-
odłączają się wodory, - oksydazy- katalizują połącze-
nie H2 i O2 po czym powstaje woda
Tranferazy- przenoszą grupy funkcyjne z jednego
związku na drugi. Rozróżniamy:- transaminazy- odłą-
czają grupę aminową (-NH2), po czym powstają kwa-
sy, - transmetylazy- struktura łańcuchowa -CH3 to
struktura charakterystyczna dla detergentów. Stąd od-
łączanie tych grup jest bardzo ważne - transketoazy-
oddzielane są grupy ketonowe (-CO) Liazy- działają
na rozszczepienie wiązań: C-C, C-O, C-N, C-S (także
w przypadku węglowodorów). Izomerazy- przekszta-
łcają struktury przestrzenne związków. Ligazy-
katalizują wytwarzanie nowych wiązań w cząsteczce.
Właściwości enzymów: - specyficzność substrato-
wa- przy produkcie obecny jest charakterystyczny dla
niego enzym, - oligodynamiczność- cecha ta pozwala
na katalizowanie tylko jednej reakcji, i działanie przy
bardzo niewielkich stężeniach.
Działanie enzymu zachodzi przy nawet niewielkich je-
go ilościach. Jednostką enzymu jest ilość, któ-
ra katalizuje przekształcenie 1 mikromola substratu w
czasie 1 minuty. Można również określić ilość powsta-
łego produktu na tej samej zasadzie. Mechanizm
działania koenzymów. koenzym+apoenzym=holo-
enzym.
Działanie koenzymów polega na wiązaniu się z subs-
tratem za pośrednictwem jego grupy oraz z białkiem
enzymowym. Klasyfikacja koenzymów: - koen-
zymy przenoszące wodór lub elektrony (współpracu-
jące z oksydoreduktazami), - koenzymy przenoszące
grupy (współpracujące z transferazami), - koenzymy
liaz, izomeraz i ligaz. Koenzymy oksydoreduktaz: -
nukleotydy nikotynamidowe -NAD-, - nukleotydy
flawinowe -FAD-. Dehydrogenazy współpracują z
NAD, odrywają wodór i elektrony od substratu. 1.
CH3-CH2-OH + NAD+ CH3-COH + NADH + H+
W wyniku tej reakcji substrat pozbawiony został dwóch
atomów wodoru, czyli dwóch protonów i dwóch ele-
ktronów. Jeden z protonów oraz dwa elektrony przy-
łączają się do NAD, a drugi proton pozostaje w roztwo-
rze. Ponowne utlenienie NADH zachodzi, gdy atom
wodoru przenoszony jest na FAD według reakcji:
2. NADH + H+ +FAD NAD+ + FADH2 , NAD i FAD
spełniają rolę tzw. prznośników wodoru i elektronów
podczas oddychania w łańcuchu oddechowym.
Hamowanie reakcji enzymatycznych. Obowią-
zuje: E+S ES E+P przy są znaki k1 i k2, przy
jest znak k3, gdzie k1, k2, k3 to prędkości reakcji, P-
produkt. Inibicja aktywności enzymatycznej przez
związki specyficzne ma istotne znaczenie w kontroli uk-
ładów biologicznych. Działanie czynników toksycznych
to głównie hamowanie aktywności enzymów. Inhibi-
cja może być prcesem odwracalnym i nieodwracal-
nym. Inhibicja nieodwracalna- inhibitor łączy się z
enzymem tak silnie, że jego dysocjacja jest niemożli-
wa lub bardzo powolna, np. gazy paraliżujące układ
nerwowy- proces polega na zatruciu enzymu przekazu-
jącego impulsy nerwowe. Inhibicja odwracalna- ce-
chuje się szybkim opóźnianiem równowagi przez układ
enzym?inhibitor. Wyróżnia się dwa typy hamowania:
-1) inhibicja kompetycyjna tj. współzawodnicza- in-
hibitor kompetycyjny jest podobny do substratu i
wiąże się w miejscu aktywnym enzymu, zapobiegając
wiązaniu się w tym miejscu substratu. Rozpad na en-
zym (E) i produkt (P) nie następuje, czyli nie tworzy się
produkt. E + I EI, inhibitor- anlog substratu. Inhibi-
tor zmniejsza szybkość katalizy, przy zmniejszeniu licz-
by cząsteczek enzymu wiążących substrat. Cechą cha-
rakterystyczną inhibicji kompetycyjnej jest możliwość
jej cofnięcia przez dostarczenie dużego stężenia subs-
tratu. Substrat i inhibitor współzawodniczą ze sobą o
to samo miejsce. Przy dużym stężeniu substratu prak-
tycznie wszystkie miejsca obsadzone są substratem i
enzym jest w pełni aktywny.-2)inhibicja niekompetycy-
jna tj. niewspółzawodnicza- w przeciwieństwie do ha-
mowania przez współzawodnictwo inhibicja niewspół-
zawodnicza nie daje się znieść przez zwiększenie stę-
żenia substratu. Polega na blokowaniu aktywnego
centrum enzymu przez związki niepodobne struktural-
nie do substratu zgodnie z reakcją: E + I EI. Inhibitor
łączy się z enzymem dość silnie i może być z komplek-
su usunięty jedynie za pomocą substancji chemicznie
wiążących związek hamujący. Stopień hamowania re-
akcji przez inhibitor niewspółzawodniczy zależy od
dwóch czynników: od jego stężenia, oraz od powino-
wactwa enzymu do inhibitora.
Hodowla okresowa bakterii. Fazy wzrostu:
1) Przygotowawcza (lag-faza) [przystosowawcza,
adaptacyjna], -nie wzrasta liczba komórek, - zachodzi
intensywny metabolizm (pobór O2, wydzielenie CO2+E)
postaci załącznika., - RNA zwiększa się 12?krotnie z czym wiąże się
wzrost białka komórkowego, - następuje powiększenie
komórki, - modyfikacja aparatu enzymatycznego.
Czas trwania zależy od składu podłoża, wieku zaszcze-
pienia, cech gatunkowych, temperatury inkubacji .
2) Logarytmiczna [największy przyrost biomasy] -
intensywne rozmnażanie, największe rozmiary komó-
rek, - intensywne podziały z największą prędkością,
- liczba komórek wzrasta w postępie geometrycznym
(logarytm liczby bakterii jest proporcjonalny do czasu),
- synteza składników komórkowych ze stałą szybkoś-
cią, - wyczerpanie substratów.
W warunkach optymalnych: pałeczki dzielą się co
15?30 minut, prątki gruźlicy co 2?3 godziny, bakterie
nitryfikacyjne co 5?10 godzin. Koniec fazy następuje
po wyczerpaniu się substratu lub nagromadzeniu się
substancji toksycznych 3) Zwolnionego wzrostu -
synteza RNA i białka gwałtownie maleje, co prowadzi
do wytworzenia komórek o małych rozmiarach .
4) Równowagi - stała liczba komórek (najwięcej biom-
asy). 5) Zamierania- wzrasta liczba martwych komórek
(spadek biomasy). Procesy autolizy komórek, niekiedy
gwałtowny przebieg (zamieranie logarytmiczne).
Czynniki ograniczające wzrost- źródło C,N i P, skład-
niki powinny być w podłożu w takim stężeniu, że po ich
wyczerpaniu wzrost zostanie ograniczony zanim pows-
taną produkty hamujące. Wzrost w fazie logarytmicz-
nej: N=N0 · 2n, N0- wyjściowa liczba komórek w określo-
nej objętości podłoża.
Podstawowe parametry: - stała szybkość podziałów
» n (liczba podziałów / godz.),
- czas generacji- czas pomiędzy dwoma podziałami.
Stała szybkość podziałów jest odwrotnie proporcjo-
nalna do czasu genaracji. - swoista szybkość wzrostu-
przyrost masy bakteryjnej przypadający na jednostkę
czasu i jednostkę masy już istniejącej
m = (lnx2 - lnx1) / (t2 - t1), (różnica masy bakteryjnej /
czas), xi- masa bakterii w czasie i=1,2
Hodowla ciągła- ciągły dopływ substratu i cią-
gły odpływ namnożonej hodowli. Napowietrzanie
rzy stałym dopływie O2. Wykres ilości bakterii w cza-
sie to przedłużona faza logarytmiczna(czas nieogra-
niczony)
Oddychanie- katabolizm. To proces zdobywania
energii z utleniania związków chemicznych. Proces
oddychania- utleniania biologicznego jest głównym źró-
dłem energii dla reakcji endoergicznych. Dla procesów
syntezy konieczne jest dostarczenie energii. Procesy
endoergiczne są procesami rozkładu, czyli procesami
dodaj załącznikkatabolicznymi, zachodzącymi z wydzieleniem energii?
procesy egzoergiczne. Procesy polegające na usuwa-
niu elektronów (e-) z atomu lub cząsteczki to utlenianie,
procesy odwrotne, w których atom lub cząsteczka przy-
łączają elektron, to redukcja.
Fe2+ Fe3+ + e-, - utlenianie, - redukcja.
Oddychanie tlenowe- W procesach biologicznego
utleniania odrywane są 2 elektrony, substrat (na
strzałce: dehydrogenaza, -2e) substrat utleniony + 2e
Utlenianiu związków organicznych towarzyszy zazwyczaj
jednoczesne odłączenie od nich dwóch protonów (jąder
wodoru H+), czyli tzw. odwodorowanie. Każda reakcja
utleniania jest jedynie częścią reakcji oksydoredukcy-
jnej. Utlenieniu jednego związku towarzyszy zreduko-
wanie drugiego. Elelktrony i protony oderwane od pier-
wszego związku przyłączane są do drugiego. AH2 + B
(na strzałce: enzym) A + BH2, AH2- dawca, B- bior-
ca. Zdolność do oddawania i pobierania elektronów
określany jest przy pomocy potencjału oksydoreduk-
cyjnego Eh. Związki można ułożyć w szereg według ich
zdolności do pobierania lub oddawania elektronów. Ten,
który utlenia się spełnia rolę dawcy elektronów, a ule-
gający redukcji- rolę biorcy.
Enzymy katalizujące utlenianie substratu podczas
oddychania to dehydrogenazy, odłączające po dwa
protony i dwa elektrony. Są to wysoce specyficzne
enzymy odwodorowujące jedynie określony substrat.
Elektrony są przenoszone za pośrednictwem przenoś-
ników na tlen, który w ten sposób ulega aktywacji, a
protony są w jednym z etapów tego procesu wydziela-
ne do środowiska, skąd ulegaja ponownie wychwyce-
niu przez zaktywowany tlen i wytwarza się woda. Prze-
niesienie protonów i elektronów na tlen jest przemia-
ną wysoce egzoergiczną. Proces ten nie zachodzi
więc bezpośrdnio, lecz z udziałem koenzymów NAD
i FAD, oraz układu cytochromowego. Stanowią one
tzw. łańcuch oddechowy. Każdemu etapowi towarzy-
szy wyzwolenie energii, którą organizmy wykorzystują
na procesy syntezy komórkowej, część się wyzwala
w postaci ciepła. Znaczna część energii wiązana jest
w postaci ATP i może być wykorzystana w przemia-
nach zachodzących niejednocześnie z procesem utle-
niania.
Enzymy łańcucha oddechowego- dehydrogenazy,
koenzymy, układ cytochromowy. Koenzymy są osta-
tnim etapem w łańcuchu oddechowym, które katali-
zują wspólne przeniesienie protonów i elektronów.
W tym miejscu wydzielane są protony do rozwoju ko-
mórkowego, a elektrony są przekazywane na układ
cytochromowy. Oksydaza cytochromowa uaktyw-
nia cząsteczkę tlenu, w wyniku czego wiąże się on z
jonami wodoru tworząc wodę. System ten składa się
z cytochromów uszeregowanych zgodnie ze wzrastają-
cym potencjałem oksydoredukcyjnym. Cytochromy -
zawierają żelazo, które spełnia funkcję biorcy elektro-
nów.
Oddychanie beztlenowe- Wiele mikroorgani-
zmów żyje w środowiskach pozbawionych tlenu. Bak-
terie te, podobnie jak tlenowce, zużywają energię
pochodzącą z procesów oddechowych, lecz wykorzy-
stują inne substancje jako ostateczne akceptory (bio-
rcy) elektronów i wodoru. U bakterii i niektórych grzyb-
ów (np. drożdże) rolę tę spełaniają związki organiczne.
Tego typu oddychanie beztlenowe zwane jest ferme-
ntacją. W procesie tym brak jest licznych etapów po-
średnich przenoszenia elektronów. NAD przenosi ele-
ktrony i atomy wodoru od związku utlenianego na
związek organiczny, odgrywający rolę ostatecznego
biorcy wodoru. W procesie tym wyzwala się tylko mała
część energii uwalnianej podczas oddychania tlenowego.
Przy tlenowym utlenianiu np. cząsteczki glukozy u-
walnia się energia magazynowana w ok. 38 cząstecz-
kach ATP, a podczas fermentacji tylko 2 cząsteczki ATP.
Fermenatacja to proces znacznie mniej wydajny aniżeli
oddychanie tlenowe. Jest to proces, w którym wykorzy-
stywane są: organiczne akceptory elektronów.
Drugi rodzaj oddychania beztlenowego polega na
wykorzystywaniu przez mikroorganizmy związków mi-
neralnych utlenionych, jako akceptorów elektronów.
Jest to proces kilkuetapowy, w którym wyzwala się zna-
cznie więcej energii aniżeli podczas fermentacji, ale
mniej niż podczas oddychania tlenowego. Związkami
tymi są: azotany, azotyny, siarczany, tiosiarczany,
siarczyny, węglany. Podczas procesu związki te ulega-
ją redukcji.
Redukcja NO3- Bakterie denitryfikacyjne oddy-
chają przy redukcji NO3. Substratem oddechowym
jest związek organiczny, od którego elektrony za poś-
rednictwem enzymu reduktazy azotanowej są odrywa-
ne i przekazywane na azotany, w wyniku czego pow-
staje NO2. Ostatecznymi produktami są amoniak i
azot cząsteczkowy.
Redukcja SO4- siarczany są wykorzystywane ja-
ko akceptory elektronów. W wyniku ich redukcji pows-
taje H2S, a dawcą elektronów są związki organiczne.
Redukcja węglanów i CO2- bakterie wykorzystu-
jące te związki jako ostateczne akceptory tworzą me-
tan (CH4). W tym procesie wykorzystywane są utlenione
związki mineralne, jako akceptory elektronów.
Udział mikroorganizmów w przemianie materii
w wodzie.
1) Tworzenie produkcji pierwotnej (glony, rośliny naczy-
niowe), oraz produkcji wtórnej (pierwotniaki), 2) Roz-
kład substancji organicznych (bakterie, grzyby)- hete-
rotrofy
3) Utlenianie i redukcja związków mineralnych: N, S,
Fe, Mn- autotrofy chemosyntetyzujące, heterotrofy,
4) wpływ na bilans tlenowy (pochłanianie i zużywanie
O2)
W ekosystemach wodnych przemiany związków che-
micznych dokonują się zgodnie z cyklicznym obiegiem
pierwiastków. Zasadniczy kierunek to przetwarzanie
substratów łatworozkładalnych: węglowodanów,
tłuszczów, białek do związków mineralnych, które z
kolei ulegają syntezie do związków organicznych-
biomasy.
Schemat biochemicznego rozkładu na drodze
tlenowej i beztlenowej:
Wielocukry- Skrobia- obecna we wszystkich ro-
dzajach wód (śródlądowe, morskie). Rozkład zachodzi
przy udziale bakterii i grzybów na drodze hydrolizy
Skrobia (amylaza) maltoza (maltaza) glukoza
Błonnik (celuloza)- w warunkach tlenowych rozkład
przeprowadzają głównie bakterie śluzowe i grzyby:
Celuloza (celulaza) celobioza (celobiaza) glu-
koza
Celuloza i skrobia dostawać się mogą do wód wraz ze
ściekami. Liczne bakterie i grzyby rozkładające te zwią-
zki występują wówczas w wodach zanieczyszczonych.
Inne wielocukry: hemicelulozy, pektyny, ligniny ulega-
ją rozkładowi przez liczne szczepy, rozkład jest powolny
i zachodzi w osadach dennych.
Tłuszcze- Występują w zbiornikach wodnych w toni
wodnej i osadach dennych. Wiele bakterii wytwarza en-
zym- lipazę (bakterie lipolityczne), powodujące rozkład
olejów i tłuszczów. Do tej grupy należą bakterie: pseu-
domonas, bacillus, sarcina.
Tłuszcze gromadzą się na powierzchni wody i two-
rzą błonkę, w której namnażają się bakterie, powodując
ich rozkład. W osadach dennych gromadzą się kwasy
tłuszczowe, z których powstają CH4 i CO2 w wyniku fer-
mentacji metanowej.
Podsumowanie obiegu węgla.
Węgiel stanowi podstawowy element materii organicz-
nej- szczególne znaczenie ma CO2. Powietrze atmosfe-
ryczne zawiera 0.032% objętościowych CO2, co stanowi
Oświadczam, że zapoznałem(am) się z reg2.3·1012 ton tego gazu. W morzu znajduje się 50?krotnie
więcej CO2 w postaci rozpuszczonej. Na milion cząste-
czek suchego powietrza przypada 460 cząsteczek wa-
gowych CO2. W procesie krążenia węgla uczestniczą:-
mikroorganizmy fotosyntetyzujące- rośliny, bakterie
fotosyntetyzujące, które redukują CO2, uniemożliwiając
tworzenie związków organicznych. CO2 stanowi jedyny,
pierwotny substrat do tworzenia materii organicznej. Asy-
milacja to jeden kierunek, w wyniku którego powstają ró-
żne związki organiczne.- mikroorganizmy heterotrofi-
czne- bakterie, które w wyniku oddychania powodują
rozkład związków organicznych. Dysymilacja to drugi
kierunek, w wyniku którego powstają ze związków orga-
nicznych związki mineralne.
We wszystkich procesach zasadniczy wpływ wy-
wiera zawartość tlenu. Przy nieobecności O2, wykorzys-
tywany jest tlen związany w NO2, NO3, SO4.