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
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
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
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
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)
Růst a množení baktérií Generace 0 1 2 Bakterie se množí dělením
Množení bakterií v exponenciální fázi Generace Počet bakterií 0 1 1 2 2 4 3 8 4 16 n 2 n Počet bakterií obecně: x = x 0. 2 n
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
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
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 )
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
Metody měření růstu bakterií Kultivační Turbidimetrie Konduktometrie
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
Fermentory: turbidostat a chemostat
Ovlivnění růstu bakterií (mikroorganizmů) rozvoj mikroorganizmů o minimum o optimum o maximum omezení mikroorganizmů -cidní usmrcení buněk -statický zastavení množení -lytický rozpad buňky
FYZIKÁLNÍ FAKTORY Teplota o psychrofilové - optimum cca 15 C (Pseudomonas) o mezofilové optimum 20-40 C (E. coli, Micrococcus) o termofilové optimum 45-70 C (Lactobacillus) o hypertermofilové 70-90 C (sirné bakterie) o teplota pod a mírně nad optimum statický účinek o více nad optimum cidní účinek
Vliv teploty na růst mikroorganizmů
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)
Vliv substrátu na růst bakterií Růstová křivka Bifidobacterium animalis na médiu obsahujícím glukózu (Glu) nebo rafinózu (Raf)
Vliv substrátu na růst bakterií - diauxie
Vliv antimikrobiálních látek na růst bakterií
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
Metabolizmus bakterií katabolizmus rozkladné procesy anabolizmus biosyntézy ATP fermentace respirace P biosyntézy transport látek pohyb teplo bioluminiscence ADP
Enzymy o snižují aktivační energii o specifické o bílkovina E + S E-S E-P E + P
Enzymy mechanismus účinku
rozdělení enzymů podle místa působení: exoenzymy vně buňky endoenzymy uvnitř buňky rozdělení enzymů podle přítomnosti v buňce: konstitutivní trvale přítomny adaptivní indukovány substrátem
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
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
GLYKOLÝZA
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)
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
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
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
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
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
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
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
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
SMÍŠENÉ KVAŠENÍ žádný konečný produkt nepřevažuje E. coli kyselina mléčná, k. jantarová, k. mravenčí, etanol, CO2, H2
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
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
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