životní cyklus bakterií = úsek mezi dvěma děleními = generační doba o syntéza buněčného materiálu o replikace DNA o rozdělení buňky

Transkript

1 RŮST A MNOŽENÍ BAKTERIÍ životní cyklus bakterií = úsek mezi dvěma děleními = generační doba o syntéza buněčného materiálu o replikace DNA o rozdělení buňky individuální růst buňky o nárůst objemu, zvětšování velikosti ukládání stavebních látek v růstových zónách růst bakteriální populace o růstová křivka bakterií o nárůst počtu buněk v množící se populaci Nediferencované dělení buněk

2 Vsádková kultivace o uzavřený systém o prostředí je modifikováno výhradně přítomnými mikroorganizmy Růstová křivka bakterií 1. Lag fáze 2. Fyziologické mládí 3. Exponenciální fáze 4. Zpomalený růst 5. Stacionární fáze 6. Fáze odumírání

3 Lag fáze obakterie se přizpůsobují prostředí osyntéza enzymů obuňky se nemnoží, může dojít k poklesu počtu Fáze fyziologického mládí odokončená adaptace oenzymy začínají působit okultura citlivá na vnější vlivy Exponenciální (logaritmická) fáze ointenzivní množení onejkratší doba zdvojení orychlost dělení je konstantní oza generační dobu se zdvojnásobí počet ointenzivní spotřeba živin omaximální produkce primárních metabolitů

4 Stacionární fáze o počet živých buněk je konstantní o počet umírajících = počtu vzniklých o doba zdvojení = 0 o spotřebovávají se živiny o hromadění metabolitů o produkce sekundárních metabolitů Fáze odumírání o počet buněk se snižuje o záporná doba zdvojení o živiny spotřebovány o nahromaděné metabolity

5 Parametry růstové křivky Parametry exponenciální fáze: o generační doba (T) o specifická růstová rychlost (µ) o rychlost dělení (R) Ostatní: o doba lagu (L) o počet buněk (x) o počet generací (n)

6 Růst a množení baktérií Generace Bakterie se množí dělením

7 Množení bakterií v exponenciální fázi Generace Počet bakterií n 2 n Počet bakterií obecně: x = x 0. 2 n

8 Generační doba = doba zdvojení doba potřebná ke zdvojnásobení počtu buněk v kultuře doba dělení buňky doba, za kterou dojde ke zdvojnásobení mikrobiální biomasy fyzikální rozměr: h

9 Mikroorganizmus Generační doba (h) Streptococcus thermophilus 0,20 Escherichia coli 0,35 Bacillus subtilis 0,43 Clostridium botulinum 0,58 Mycobacterium tuberculosis 12 Saccharomyces cerevisiae 2 Prvoci 10

10 Specifická růstová rychlost: µ udává množství biomasy vytvořené jednotkou biomasy za jednotku času udává zlomek buňky vytvořené jednou buňkou za jednotku času fyzikální rozměr: h -1 µ = ln2/t µ = (lnx lnx 0 )/(t t 0 )

11 Mikroorganismus Spec. Růst. rychlost (h -1 ) Streptococcus thermophilus 3,47 Escherichia coli 1,98 Bacillus subtilis 1,61 Clostridium botulinum 1,19 Mycobacterium tuberculosis 0,06 Saccharomyces cerevisiae 0,35 Prvoci 0,07

12 Metody měření růstu bakterií Kultivační Turbidimetrie Konduktometrie

13 Kontinuální kultivace o o o otevřený systém regulace parametrů z vnějšku - množství živin - množství metabolitů - množství buněk udržení buněk v logaritmické fázi chemostat o o regulace chemických parametrů snaha o udržení konstantního chemického složení turbidostat o o regulace množství buněk udržení konstantního množství buněk

14 Fermentory: turbidostat a chemostat

15 Ovlivnění růstu bakterií (mikroorganizmů) rozvoj mikroorganizmů o minimum o optimum o maximum omezení mikroorganizmů -cidní usmrcení buněk -statický zastavení množení -lytický rozpad buňky

16 FYZIKÁLNÍ FAKTORY Teplota o psychrofilové - optimum cca 15 C (Pseudomonas) o mezofilové optimum C (E. coli, Micrococcus) o termofilové optimum C (Lactobacillus) o hypertermofilové C (sirné bakterie) o teplota pod a mírně nad optimum statický účinek o více nad optimum cidní účinek

17 Vliv teploty na růst mikroorganizmů

18 FYZIKÁLNÍ FAKTORY ph o o o o alkalofilové ph > 8 (proteolytické b.) neutrofilové ph 6-7 (8) (Escherichia, Micrococcus) acidofilové ph < 6 (Lactocobacillus) acidorezistentní optimum kolem 7, přežívají i kyselé ph (plísně)

19 Vliv substrátu na růst bakterií Růstová křivka Bifidobacterium animalis na médiu obsahujícím glukózu (Glu) nebo rafinózu (Raf)

20 Vliv substrátu na růst bakterií - diauxie

21 Vliv antimikrobiálních látek na růst bakterií

22 VZTAH KE KYSLÍKU Aerobní o vyžadují O 2, aerobní respirace o Bacillus, Penicillium Obligátně anaerobní o O 2 nevyžadují nebo je pro ně toxický o fermentace, anaerobní respirace o Clostridium, Bacteroides Fakultativně anaerobní o mohou žít jak v přítomnosti tak nepřítomnosti O 2 o fermentace bakterie mléčného kvašení, kyslík je inertní plyn o proměnlivý metabolizmus - +O 2 aerobní respirace, -O 2 fermentace, Saccharomyces Mikroaerofilní o nižší parciální tlak kyslíku než je v atmosféře o Pseudomonas, Lactobacillus

23 Metabolizmus bakterií katabolizmus rozkladné procesy anabolizmus biosyntézy ATP fermentace respirace P biosyntézy transport látek pohyb teplo bioluminiscence ADP

24 Enzymy o snižují aktivační energii o specifické o bílkovina E + S E-S E-P E + P

25 Enzymy mechanismus účinku

26 rozdělení enzymů podle místa působení: exoenzymy vně buňky endoenzymy uvnitř buňky rozdělení enzymů podle přítomnosti v buňce: konstitutivní trvale přítomny adaptivní indukovány substrátem

27 Klasifikace enzymů oxidoreduktázy oxidačně redukční reakce transferázy přenos skupin mezi molekulami hydrolázy hydrolytické štěpení molekul lyázy nehydrolytické štěpení molekul izomerázy přeměny izomerů, vnitromolekulové přenosy ligázy spojování molekul za přispění ATP

28

29 Katabolizmus uhlíkatých látek složité C látky hydrolýza glukóza glykolýza, E-D dráha, pentózofosfátová dráha pyruvát fermentace respirace etanolová mléčná máselná propionová acetobutanolová úplná aerobní neúplná aerobní anaerobní anorganických látek

30 GLYKOLÝZA

31 Kvašení (fermentace) a dýchání (respirace) Polysacharidy (škrob, celulosa) monosacharidy pyruvát organické kyseliny, alkoholy, CO 2 = Kvašení (anaerobní podmínky, 2 ATP) Pyruvát acetyl CoA Krebsův cyklus Dýchací řetězec CO 2, H 2 O = Dýchání (aerobní podmínky, 38 ATP)

32

33 ETANOLOVÉ KVAŠENÍ C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 (2ATP) anaerobní, mezofilní mono- a disacharidy (polysacharidy až po hydrolýze) anorganický N (NH 4+ ) nebo organický kvasinky (Saccharomyces, Candida), některé bakterie (Zymomonas) produkce alkoholu pekařství biomasa kvasinek zdroj vitamínů a bílkovin

34 MLÉČNÉ KVAŠENÍ CH 3 COCOOH + H + CH 3 CHOHCOOH homofermentativní hlavní produkt je k. mléčná (> 90 %) heterofermentativní asi 50 % k. mléčné + k. octová + CO 2, etanol (další organické k.) o anaerobní, fakultativně anaerobní, mikroaerofilní, vždy fermentace o mezofilní, termofilní o acidotolerantní o mono- a disacharidy, organické N-látky, vitamíny

35 BAKTERIE MLÉČNÉHO KVAŠENÍ BMK HOMOFERMENTATIVNÍ Lactococcus mléko, mléčné výrobky, Lc. lactis, Lc. cremoris Streptococcus jogurt, Sc. thermophilus Enterococcus trávicí trakt, probiotické preparáty, indikátor fekálního znečištění, E. faecium, E. fecalis Pediococcus mléko, siláž, uzenářský výrobky Lactobacillus: homo i heterofermentativní Lb. deslbrueckii ssp. bulgaricus jogurt Lb. acidophilus mléko, trávicí trakt, vagína, probiotika Lb. plantarum rostliny, siláž

36 HETEROFERMENTATIVNÍ BMK Lactobacillus Lb. fermentum, Lb. brevis siláž, kyselé zelí Leuconostoc mléko, produkce polysacharidů Význam BMK: o mléko, mléčné výrobky o trávicí trakt o siláž, kysaná zelenina o probiotika o výroba k. mléčné

37 Kvašení uskutečňované rodem Bifidobacterium o konečné produkty kyselina octová a mléčná v o o poměru 3:2 význam: mléčné kysané výrobky (probiotika) součást střevní mikroflóry

38 MÁSELNÉ KVAŠENÍ 4 C 6 H 12 O 6 3CH 3 CH 2 CH 2 COOH + CH 3 COOH + 8CO 2 + 8H 2 pyruvát acetyl-coa + CO 2 + H 2 butyrát + acetát + butanol + aceton + isopropanol dominantní pro přeměny C-látek v přírodě anaerobní, mezofilní mono- až polysacharidy, pektin, celulóza,... organický N, NH 4+, N 2 Clostridium G+ anaerobní sporulující tyčinka

39 Význam: o typicky půdní bakterie, nejdůležitější fermentace v půdě o anaerobní fixace N 2 o rozklad bílkovin a složitých C-látek o patogenní, toxiny (Cl. perfringens, Cl. botulinum, Cl. tetani) o trávicí trakt o čištění odpadních vod o průmyslová výroby k. máselné o produkce bioplynu

40 PROPIONOVÉ KVAŠENÍ hexóza pyruvát propionát + acetát + CO 2 + H 2 O laktát pyruvát propionát + acetát + CO 2 + H 2 O Propionibacterium jednoduché C-látky, organický N aerotolerantní, anaerobní, mezofilní výroba sýrů ementál produkce vitamínů protiplísňový preparát trávicí trakt

41 SMÍŠENÉ KVAŠENÍ žádný konečný produkt nepřevažuje E. coli kyselina mléčná, k. jantarová, k. mravenčí, etanol, CO2, H2

42 Neúplná aerobní respirace o neúplná mineralizace org. látek - H 2 O, (CO 2 ), organická látka o nepravá kvašení Octové kvašení CH 3 CH 2 OH + O 2 CH 3 COOH + H 2 O o Acetobacter o kažení vína o výroba octa Citronové kvašení glycidy kyselina citronová o Aspergillus niger o potravinářství limonády, džemy

43 Průmyslové využití fermentací Konečný produkt fermentace Využití komerční a průmyslové Výchozí materiál (surovina) Používaný Mikroorganismus Etanol Pivo, víno,palivo Melasa, mošt Saccharomyces cerevisiae Kyselina mléčná Kyselina propionová Aceton, butanol Glycerol Kyselina citronová Jogurt, kysané zelí, chléb, salám Ementál Chemický průmysl Farmacie, průmysl Potravinářský průmysl Mléko, mouka, zelí, maso Lactobacillus, Streptococcus Kyselina mléčná Propionibacterium Melasa Melasa Melasa Clostridium acetobutylicum Saccharomyces cerevisiae Aspergillus

44 KATABOLIZMUS LIPIDŮ o zdroj energie o hydrolýza glycerol + mastné kyselin o fosforilace glycerolu glykolýza o mastné kyseliny β oxidace mastných kyselin, acetyl-koa, Krebsův cyklus KATABOLIZMUS BÍLKOVIN o proteázy hydrolýza peptidy až AK zužitkování v anabolizmu o deaminace (transaminace) o C-skelet pyruvát, acetyl-koa, Krebsův cyklus nebo fermentace