Ekologie mikroorganismů Mikrobní společenstva a vztahy mezi mikroorganismy Ekologie Oikos - dům Logos - zákon, pravidlo Věda zkoumající vztah organismů a jejich prostředí a vztah organismů navzájem . Ekologie označuje vědu, která se zabývá vztahem organismů k vnějšímu prostředí, což je jak neživé okolí, tak i ostatní organismy ať už stejného nebo jiného druhu. Organismy ↔ živým a neživým prostředím. The law of the household Ekologie - Ernst Haeckel (1866) Historie Už první pozorování/popisy mikrobů byly ekologické – půdní a akvatická mikrobiologie. Význam těchto pozorování často ve stínu „důležitějších“ úspěchů lékařské mikrobiologie Robert Hook (1635-1703) Anglický experimentální filosof 1665 – mikroskopie hub a protozoí hrál významnou úlohu ve vědecké revoluci jak svou experimentální, tak i teoretickou prací jeho otec byl John Hooke, kaplan Church of All Saints, Freshwater. hookemicro Robert Hooke (1635-1703) První pozorování buňky Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) leeuwenhoeksmall leeuwmicrosm Replika jednoduchého mikroskopu k pozorování živých organizmů (zvětšení až 300x) První pozorování živých organizmů Leeuwenhoekovy kresby Kresby bakterií z roku 1683 Mikrobiální ekologie 60. léta 20. století – důsledek 2. sv.v. – obrovsky technologicky a ekonomicky rozvoj Alarm - populační exploze zhoršováni životního prostředí vyčerpání neobnovitelných zdrojů Téměř neomezená možnost podmanit si a využít Zemi a zároveň neschopnost regulovat populaci a obhospodařovat omezené zdroje Země Jak dál?! – regulace populace, limity pro technologický a ekonomický růst, omezení znečišťování (solution), obnovitelné zdroje….. Rachel Carson: Silent spring – 1962 (DDT) http://www.nrdc.org/health/pesticides/hcarson.asp Nova legislativa, mezinárodní organizace….. Uvědomění si kritické role všech organismů - včetně mikrobů - pro udržení ekologické rovnováhy a přiznání klíčové role mikroorganismů v toku materiálů a energií přes globální ekosystémy. Role mikrobů: bezpečná a ekonomická likvidace tekutých a tuhých odpadů - řešení nedostatku N hnojiv - biologická kontrola škůdců - produkce potravin, krmiv, paliv z vedlejších a odpadních produktů - extrakce kovů z nízko obsahových rud Soubor:Rachel-Carson.jpg Hladiny ekologické organizace Společenstvo Populace •Organizmus • Ekosystém Mikrobiální populace - souhrn mikroorganizmů pocházejících z jednoho klonu, zaujímající určitý prostor v průběhu dostatečně dlouhé doby a oddělených částečně nebo úplně od jiných obdobných souborů •Homogenní populace – klonová kultura vzniklá jako výsledek nepohlavního rozmnožování buňky obsahující jedno jádro nebo jádru odpovídající strukturu (geneticky i fyziologicky) •Heterogenní populace – vzniká z homogenní populace • - přítomnost mutantů • - tlak vnějšího prostředí •Čistá kultura je analogem heterogenní populace Charakteristika populace jako samostatné funkční jednotky •Četnost – počet individuí tvořících danou populaci •Celková hmotnost (biomasa) těchto individuí •Hustota populace - je dána počtem individuí v jednotce objemu Mikrobiální společenstvo je tvořeno •Autochtonními druhy – jsou stanovišti přirozené (v prostředí se vyskytují stále) a podílejí se rozhodující měrou na aktivitě společenstva •Allochtonními druhy – jsou druhy, které se ve společenstvu vyskytují přechodně (cizorodé organizmy, vetřelci) •* počet vzrůstá při dodání živin Druhová rozmanitost – diverzita společenstva •Společenstva monodruhová - jsou tvořena pouze populací jednoho druhu •Společenstva vícedruhová •Malá druhová rozmanitost charakterizuje takové prostředí, kde vnější faktory vytvářejí extrémní podmínky •Společenstva s velkou druhovou rozmanitostí jsou podstatně odolnější ke změnám prostředí • • Kolonizace prostředí •Sterilní prostředí • •Primární populace(pionýrská) • •Mikrobiální společenstvo • Kolonizace prostředí •Každé prostředí se selektivně brání vstupu mikroorganizmů •Žádný druh není primární pro všechny lokality •Rezistence prostředí – souhrn fyzikálních, chemických a biologických faktorů bránící kolonizaci – vytváření bariéry Bariéry kolonizace Prostředí Bariéra pokožka mastné kyseliny plíce, žaludek sliznice dutina ústní lysozym krev fagocyty, protilátky zažívací trakt sliznice tkáně ryb protaminy mléko peroxidáza, aglutininy ovoce kutikula, kyseliny rostlinné tkáně glykozidy,fenolické sloučeniny virem infikované tkáně interferon Sukcese a klimax • Sukcese – neperiodické změny v druhovém zastoupení a v počtu individuí v populacích tvořících společenstvo –Vývoj společenstva je uskutečňován v několika fázích tvořících – sukcesní řadu – –Klimax – konečné stadium, charakteristické největší druhovou rozmanitostí – – Vzájemné vztahy mezi organismy •Neutralismus •Protokooperace •Komenzalismus •Mutualismus •Kompetice •Amenzalismus •Parazitismus •Predace • Typy vzájemných vztahů mezi dvěma druhy 0 0 + + - 0 - - 0 + + + - - + + Neutralizmus Komenzalizmus Protokooperace Symbióza Kompetice Amenzalizmus Parazitizmus Predace druh B druh A Interakce Neutralizmus •Vztah mezi populacemi bez vzájemných interakcí •Vyskytuje se tehdy, kdy populace mají značně odlišné požadavky na živiny •Protože nedochází k soutěžení o živiny, populace se vzájemně neovlivňují •V přírodě se prakticky nevyskytuje Protokooperace (synergizmus) •Spojení výhodné pro oba partnery •Spojení není obligatorní •Jeden organizmus podporuje druhý a současně je kritickou komponentou daného prostředí pro druhý organizmus •Produkce metabolitů, plynů, fixace molekulového dusíku, nepatogenní organizmy Protokooperace (synergismus) •Enterococcus fecalis a E. coli přeměňují arginin na putrescin •metanogeneze – fermentativní bakterie produkují mastné kyseliny – anaerobní bakterie vodík – archea metan •hranice mezi synergizmem a mutualismem je někdy tenká Protokooperace (synergismus) Synergismus- pokr. Metan produkující archee mají synergický vztah s jinými bakteriálními populacemi: - bakterie (Syntrophomonas) oxiduje organické kyseliny na acetáty a H2 (CO2) - acetát a H2 (toxický pro bakterii) je využit archeemi k produkci metanu - jeden organismus bez druhého to neumí - 1941 izolován Methanobacterium omelianski a teprve po 26 letech (Bryant, 1967) se zjistilo, že jde o směsnou kuturu M. bryantii a „S“ organismu, později identifikovaného spolu s dalšími syntropickými fermentátory jako archea Synotrophomonas a Synotrophobacterium. Symbióza - mutualizmus •Vzájemně výhodný vztah, na němž je alespoň jeden z partnerů závislý •Obligatorní •Do vztahu vstupují mikroorganizmy, rostliny, živočichové •Mikrosymbiont – mikroskopický partner •Makrosymbiont – obvykle vyšší eukaryot Původ slova symbióza - mutualismus Spolu s vývojem poznání o symbiotických organismech se objevily snahy vytvořit slovo, které by zastřešilo všechny termíny, jako je mutualismus a parazitismus. Výraznou motivací byl objev symbiotické povahy lišejníků, vztah uvnitř lišejníku totiž nebylo možné klasifikovat jako parazitismus. V roce 1877 Albert Bernhard Frank použil pro tuto potřebu termínu symbiotismus. Vysvětlil ho jako společnou koexistenci dvou druhů bez ohledu na povahu jejich vztahu. Přesto bývá termín symbióza připisovaný botanikovi Anton de Barymu, jenž slova poprvé použil v roce 1878 v díle Die Erscheinung der Symbiose (Fenomén symbióza). Anton de Bary se v tomto spise nezmínil o tom, že termín přejal od Franka, i když v jiných textem se o něm zmínil. Slovu symbióza také podřadil termíny mutualismus, parazitismus a komenzálismus. Termín mutualismus však zavedl už pár let před Baryho spisem Pierre-Joseph van Beneden.[5] Symbióza •Ektosymbióza, endosymbióza •Mezi mikroorganizmy (lišejníky – řasa, houba) •Mezi mikroorganizmy a zelenými rostlinami (rhizobia a leguminózy) •Mezi mikroorganizmy a živočichy • - bachor přežvýkavců • - krev sající hmyz (moskyti) Symbióza mezi různými druhy mikroorganizmů •Lišejníky – na této symbióze participují • * řasa – phycobiont ( v současné době popsáno více než 20 druhů zelených řas - Heterococcus, Trebouxia • nebo sinice (Nostoc) • * houba – mycobiont (Ascomycetes, případně Basidiomycetes) Lišejníky – řez lupenitou stélkou •a – kůra •b – pod ní vrstva s fycobiontem •c – dřeň •d– spodní strana – kůra s rhizoidy •e - spodní strana - kůra s pórem foliose lichen, picture by Karen Wise of Kingston, Mississippi Crustose lichens Foliose lichens Fruticose lichens liche26b Symbióza mezi mikroorganizmy a zelenou rostlinou •Hostitelský organizmus – rostliny patřící k různým taxonům •Mikroorganizmus – bakterie, řasy, houby • •Rostliny zcela závislé na mikroorganismech Rostlinné kořeny poskytují výborné prostředí pro růst mikroorganismů, kterých je na kořenech a v jejich blízkosti velké množství a interakce mezi mikroby a kořeny uspokojuje nutriční požadavky obou partnerů. Rhizosféra - tenká vrstva půdy, která zůstane na kořenech po jejich otřepání - velikost záleží na druhu rostliny (struktuře kořenů) kořenové vlášení značně zvyšuje plochu kořenů v porovnání s kulovým kořenem - jedna rostlina pšenice – přes 200 m kořenů - průměrný průměr kořenů 0.1 mm - povrch kořenů pak přes 6 m2 - jen 4-10% plochy kořenů (rhizoplanu) v přímém kontaktu s mikroby - víc mikrobů je pak v celé rhizosféře root Rhizosféra - rhizoplan Fixace vzdušného dusíku •bakterie zpřístupňuje dusík v amonné formě rostlinám •pouze prokaryota – G- bakterie, aktinomycety a sinice •diazotrofní mikroorganismy • Fixace vzdušného dusíku •symbiotická •hlízkové bakterie –rhizobia – leguminózy –Frankia – neleguminózní rostliny, olše –Anabaena – Azolla – kapradina, byla využívána na rýžových polích již v 11. stol. • Tvorba hlízek u leguminóz buňky rhizobií 1. “přitáhnutí“ a připojení rhizobií kořenový vlásek 2. exkrece nod faktorů bakteriemi a deformace vlásků 3. infekce čepičkou kořenového vlásku 4. bakterie vytvářejí infekční vlákno, které prorůstá přes buňky kořene k tetraploidní buňce 5. stimulace množení tetraploidní buňky, vytváření hlízek 6. tvorba bakteroidů a fixace N2 hlízky průnik infekčního vlákna infekční vlákno * kořenové vlásky produkují induktory – flavonoidy ( indukce bakterií) * připojení bakterií ke kořenovému vlásku (rostlina – lektiny, bakterie- rhicadhesiny) * bakteroidy jsou obdány peribacteroidní membránou (vytváří rostlina) a nastává diferenciace bakteroidů do symbiozomů fixujících molekulový dusík * symbiozóm obsahuje N2 fixující bakteroid, peribakteroidní prostor, peribakteroidní membránu Tvorba hlízek u leguminóz Fixace vzdušného dusíku- rhizoid cytoplazma rostliny cukry organické kyseliny fotosyntéza bakteroid Krebsův cyklus sukcinát, malát, fumarát pyruvát nitrogenáza elektrony aminokyseliny membrána symbiozómu membrána bakteroidu elektron transportní řetězec ATP glutamin, asparagin rostlina O2 + Lb O2-Lb O2-Lb Lb Lb - leghemoglobin buňky vlákna s lektinem, rhizobie s rhicadhesinem bakterie leghemoglobin (růžové zbarvení) WIK IMEDIA, 640-Medicago_truncatula_A17_root_nodules Sinorhizobium meliloti na kořenech Medicago truncatula Tvorba hlízek u legumióz •Buňky rhizóbií jsou lokalizovany pouze v tetraploidních buňkách •Fixovat molekulový dusík mohou jen rhizoidy •Rhizóbia “prodýchají“ asi 15% glycidů vytvořených rostlinou •Leghemoglobin – informace o syntéze nesena rostlinou a indukována bakterií • • Tvorba hlízek u nelegumióz •Hostitel – Betulaceae, Ericaceae, Myristicaceae, Rhamnaceae, Rosaceae, …. •Mikrosymbiont – bakterie, aktinomycety, •Tropické rostliny čel. Rubiaceae a Myrisinaceae vytvářejí hlízky na povrchu listů (mikrosymbiont – Klebsiella, Chromobacterium) Frankia alni – také tvoří hlízky na kořenech stromů – v mírném a subpolárním pásmu část hyfy se diferencuje do tzv. vesicles – fixace N2 Frankia fixující vesicles – i bez rostliny S rody: Alnus, Myrica (vavřín- nové koření), Hippophae - Rakytník rešetlákový 10x víc C než v pomerančích Photo of Hippophae rhamnoides L. Comptonia peregrina, Sweet Fern Comptonia Sweet fern nF11 olše Tvorba hlízek u nelegumióz – pokr. Symbióza se sinicemi Nostoc a Anabaena Jaterníky jaternik1 Mechy (Bryophyta) Mech Kapradiny (pteridophytes) 35tfern plant plant plant Mykorhiza •Symbióza kořenů vyšších rostlin s půdními mikroskopickými houbami – mutualismus •Tvorba charakteristická u řady rostlin tropického, subtropického, mírného a arktického pásma •Mikrosymbiont – houby většinou Basidiomycetes (popsáno asi 100 symbiotických druhů) •Mykorhizy nejsou druhově specifické (jeden druh sosny může vytvářet mykorhízu se 40 různými druhy hub) •Některé dřeviny přestávají růst a usychají bez přítomnosti mykorhizy • Mykorhizní symbiózy vznikly v průběhu fylogeneze zúčastněných organismů; první mykorhizy byly nalezeny již u paleontologických nálezů z období devonu (Pirozynskia Malloch1975). Jsou známy u více než 90 % vyšších rostlin a pouze malé množství rostlinných druhů, patřících například do čeledí Chenopodiaceae (merlíkovité), Brassicaceae (brukvovité), Juncaceae (sítinovité), Cyperaceae (šáchorovité) a Polygonaceae (rdesnovité) tyto symbiózy většinou netvoří. Mykorhiza Ekologický význam mykorhizních symbióz Je dán třemi vlastnostmi mycelia mykorhizních hub: 1.Velký povrch mycelia a současně schopnost zasahovat i do nepatrných půdních prostor, které jsou kořenovému systému rostlin přímo nedostupné. 2. Schopnost přímé výměny látek s hostitelskou rostlinou i s půdním prostředím. 3. Existence vláknité stélky (mycelia), umožňující přenos látek cytoplazmou na významné vzdálenosti. •Z těchto tří vlastností vyplývá základní ekologická charakteristika mykorhizní symbiózy: -mykorhizní houby účinně propojují kořenový systém hostitelské rostliny s prostředím. •Toto propojení lze chápat tak, že mykorhizní houba do značné míry zprostředkovává výměnu hmoty, energie a možná i informace mezi rostlinou a půdou. Mykorhiza •existovala už v devonu (AV) – primitivní rostliny typu magnólií – obligátně dependentní na mykorhize •participující houby nejsou schopny využívat komplexní polysacharidy – symbióza jim umožňuje využívat jednoduché uhlovodíky (glukóza) •tvorba sítě mimokořenového mycelia v půdě • rostlina profituje z přístupu k živinám díky větší zóně pro čerpání živin, včetně přístupu do oblasti s nízkou koncentrací živin, houba hydrolyzuje velké molekuly obsahující dusík a fosfor, produkuje vitamíny •rozvoj hub v kořenech hostitelských rostlin je omezen nejvýše na kořenovou primární kůru, ve středním válci se mykorhizní houby nikdy nerozrůstají • • • • Srovnání endomycorrhizy a ectomycorrhizy endomyco Mykorhiza endomykorhiza endomykorhiza orchideí abruskuly spóry ektomykorhiza vezikly erikoidní mykorhiza abruskulární mykorhiza střední válec rhizodermis rhizodermis ektedomykorhiza (bazidiomycety) externí hyfa “klínky“ vytvořené houbou monotropoidní mykorhiza (u rostlin bez chlorofylu) klubíčka abruskuly – funkce vstřebávací, vezikuly – funkce zásobní Ektomykorrhiza - zevní pseudoparenchymatická pochva víc než 40µm - 40% suché hmoty kořenů - hyfy v mezibuněčných prostorách epidermis a kortexu, ale nikdy v buňce! Změněná morfologie kořenů – kratší a dichotomické větvení 4 mycorrh mycorrh1 Plodnice ektomykorhizních hub 4 Endomykorrhiza Hyfy vnikají do buněk Unikátní postavení v symbióze - buňky jsou vně i uvnitř hostitele Někdy se ji také říká vesicular-arbuscularní mykorrhiza Nevytváří se pochva kolem kořenů Tvorba mykorhizy u Alium •1., 2. – mycelium uloženo intracelulárně •Mezi 3. a 4. se vytváří “zásobní“ orgán •5. vytváření abruskul •6. “zpracování „ abruskul buňkami rostliny sejmout0002 Vznikající arbuskul u zástupce rodu Glomus bigarb Mykorhiza Endomykorhiza Ektomykorhiza abruskuly Mykorhiza na kořenech borovice Symbióza mikroorganizmů se živočichy •Každý živočich má svoji “normální“ mikroflóru •Tato mikroflóra umožňuje živočichu efektivněji využívat zdroje živin •Pro hostitele jsou nejefektivnější mikroorganizmy gastrointestinálního traktu Normální mikroflóra člověka Hltan, hrtan - Streptococcus sp., Staphylococcus sp., Branhanella catarrhalis, Haemophilus sp., Corynebacterium sp., Neiserria sp., Mycoplasma sp. Žaludek – mléčné bak., kvasinky, Helicobacter pilori Tenké střevo – Candida albicans, Lactobacillus sp., Enterococcus sp., Bacteroides sp. Tlusté střevo – Bacteroides sp., E.coli, Enterobacter sp., Lactobacillus sp., Streptococcus sp., Clostridium sp., Klebsiella sp., Candida albicans, Pseudomonas aeruginosa, Proteus sp., Fusobacterium sp. Vagina – Lactobacillus sp., Streptococcus sp., Candida albicans, Corynebacterium sp. Uretra – Streptococcus sp., Mycobacterium sp., Bacteroides sp. Pokožka – Staphylococcus sp., Propionibacterium sp., Acinetobacter sp., Bacillus sp. Dutina ústní – Streptococcus sp., Fusobacterium sp., Actinomyces sp., Leptotrichia sp., Veilonella sp. dutina nosní – Staphylococcus sp., Branhanella catarrhalis, Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae, Corynebacterium sp. Komensální a mutualističtí intestinální symbionti - Většina teplokrevných živočichů má extrémně bohatou mikrofloru v jejich gastrointestinálním traktu. - Ve spodní části zažívacího traktu každý gram výkalů obsahuje 1011 mikrobů patřících do 400 různých druhů. - V lidském zažívacím traktu jsou nejčetnější striktní anaerobi rodů Bacteroides, Fusobacterium, Bifidobacterium a Eubacterium. - U některých zvířat (prasata) intestinální mikroflora přispívá k výživě fermentací karbohydrátů. - Existují určité důkazy, že u starších prasat mikroorganismy tráví celulózu a zvířata využívají produkty jejího rozkladu. - Některé další mikrobiální aktivity v zažívacím traktu, jako například degradace aminokyselin, mohou mít škodlivý účinek na zvířata - kompetice. Symbióza mikroorganizmů se živočichy – rumen •Velice těsné vztahy mezi mikroorganizmy. Většina z nich není izolována v čisté kultuře •Bakterie – Fibrobacter, Ruminococcus, Butyrivibrio, Eubacterium, Ruminobacter, Selenomonas,…… •Prvoci – Epidinium, Metadinium, Isotricha, Ostracodinium, ……. •Houby – Ruminomyces, Orpinomyces, Caecomyces, Neocallimastix,…. Komensální a mutualističtí intestinální symbionti – pokr. Trávení v bachoru Přežvýkavci jako jeleni, losi, antilopy, zebry, sobi, krávy, ovce a kozy - potrava bohatá na celulózu - savci, včetně přežvýkavců, neprodukují celulolytické enzymy - spoléhají na mikrofloru bachoru - v bachoru velká populace bakterií a protozoí - přispívají k trávení potravy - bachor anaerobní, 30-40 oC, pH 5,5-7,0 – ideální pro tamní mikroflóru - hustota mikroflory zde 109-1010/ml Fermentace v bachoru: 57,5 (C6H12O6) → 65 acetate + 20 propionate + 15 butyrate + 60 CO2 + 35 CH4 + 25 H2O Fermentace v bachoru – pokr. Organické kyseliny absorbovány do krve zvířat, kde jsou aerobně oxidovány k produkci energie - Přežvýkavci také využijí proteiny produkované mikroflórou - CO2 a metan jsou uvolňovány bez užitku - Anaerobní podmínky - jen malé procento kalorické hodnoty potravy není využito zvířetem. - Dokonce i část „ztrátové“ energie je využito k udržování tělesné teploty zvířete. - Přežvýkavci výborně využívají nízkokvalitní krmivo s vysokým obsahem celulózy, ale nejsou ekonomičtí ve využití kvalitního proteinového krmiva použitého v krmných dávkách. - Cross-linking (zesítění) proteinů ošetřením formaldehydem, dimethylolurea a jinými činidly blokujícími jejich degradaci mikroflórou bachoru zajistí jejich trávení a absorpci ve spodnějších částech gastrointestinálního traktu (a není ztracen produkcí metanu). Mikroflóra bachoru zahrnuje bakterie trávící celulózu, hemicelulózu, škrob, cukry, mastné kyseliny, proteiny, lipidy. Mnohé bakterie produkují acetát, který je hlavní kyselinou v bachoru. Některé bakterie produkují propionát, jedinou fermentační kyselinu, kterou přežvýkavci umí přeměnit na karbohydráty. Jsou zde i fixátoři dusíku (10 mg na hlavu a den) - přítomný amoniak potlačuje fixaci. Amoniak může být využit mikroflórou bachoru a následně stráven zvířetem. Teoreticky lze chovat přežvýkavce na celulóze a amoniaku, ten je ale toxický. Někdy se do krmných směsek se přidává močovina – využita po zapracování do mikrobiální biomasy. Mikroflóra bachoru – pokr. Protozoa v bachoru: Především nálevníci, ale i bičíkovci, jako Eutodinium, Diplodinium a Sarcodina. - Nálevníci v bachoru jsou vysoce specializovaná skupina, rostou anaerobně, energií získávají fermentací rostlinného materiálu a tolerují přítomnost početné bakteriální populace. - Některá protozoa schopná trávit celulózu a škrob, jiné fermentují rozpuštěné karbohydráty, někteří se živí bakteriemi. - Jejich proteiny jsou pak zase stráveny přežvýkavcem. - Protozoa v bachoru skladují velké množství karbohydrátů, které přežvýkavci stráví spolu s proteiny protozoální biomasy. Toto se děje v knize a čepci. - Transport uhlíku z bakterií do protozoí a následně do přežvýkavce je krátký účinný potravní řetězec. - Protozoa asi tráveny lépe než bakterie, které mají rezistentní buněčnou stěnu a vysoký obsah nukleových kyselin. Mikroflóra bachoru – pokr. Houby - menšinová populace v bachoru - anaerobní chytridie se podílí na depolymeraci celulózy. Vztah mikrobů a přežvýkavce je mutualistický – některé bakterie lze najít jen v bachoru. - Mikroorganismy tráví rostlinný materiál a produkují nízkomolekulární mastné kyseliny a mikrobiální proteiny přístupné zvířeti. - Někteří mikrobi potřebují růstové faktory, jiní produkují vitamíny pro mikrofloru bachoru. - Bachor poskytuje vhodné prostředí pro bakterie a stálý přísun substrátu pro mikroby. - Přežvýkávání rozmělňuje rostlinný materiál, zvětšuje jeho povrch pro mikroby, mikrobům pomáhají i sliny zvířete. - Pohyb bachoru promíchává substrát pro mikroby. - Odstranění nízkomolekulárních mastných kyselin absorpcí do krevního oběhu zvířete zabrání jejich inhibiční působení na mikroby. Diverzita mikroflóry – lehce se přizpůsobí změně potravy, ale ne prudké změně – přechod z čerstvého krmení na suchou stravu a naopak – nadměrná tvorba metanu – nadýmání bachoru, může stlačit plíce a i udusit zvíře (jediná léčba je propíchnutí bachoru). Komensální a mutualističtí intestinální symbionti – pokr. I jiná zvířata jako jeden druh „listových opic“ (colobid monkeys), lenochodi, hroši, velbloudi a někteří vačnatci mají bachoru podobné trávení – jejich mikroflora je schopná rozkládat celulózu a jiný rostlinný materiál a produkovat těkavé mastné kyseliny, které zvíře může využít. U nepřežvýkavých savců, kteří se živí především rostlinným materiálem, jako koni, prasata a králíci, probíhá mikrobiální trávení celulózy ve zvětšeném slepém střevě (kůň – 50l) s produkcí těkavých mastných kyselin, které jsou absorbovány do krevního oběhu a nakonec oxidovány v buňkách živočicha za produkce vody a kysličníku uhličitého. Velryby živící se planktonickými korýši, mají vícekomorové žaludky , kde probíhá fermentace a tvoří se mnoho mastných kyselin – zde se ale tráví hlavně chytin. Symbióza mikroorganizmů se živočichy - hmyz •V intestinálním traktu nejsou mikrobionti přítomni pouze v případě, že hmyz má plnohodnotnou stravu •Při nedostatečné výživě se rychle začíná rozvíjet mikroflóra •Tedy – hlavní úlohou mikrobionta je zajistit dostatečné množství základních růstových látek •Vyjímka – moskyti mají mikrobionty ve střevě stále (hlavním zdrojem výživy je krev) Kultivace mikroorganismů živočichy Kultivace hub hmyzem mění morfologii kolonií hub Ambrosia beetle Representatives of Xyleborina, the most diverse group of ambrosia beetles. From top left: Amasa sp., Eccoptopterus spinosus, Sampsonius sp., Xylosandrus ursa, Streptocranus fragilis. Ve dřevě mrtvých stromů Soubor:K8085-6.jpg termiti Leaf-cutting ants - listoví mravenci „Leaf-cutting ants“ - listoví mravenci - Thomas Belt (1874) popsal 50 milionů let starou symbiózu určitého druhu mravenců Atta, tzv. listových mravenců (leaf-cutting ants), s houbou z rodiny Lepiotaceae v centrální a jižní Americe - Získání houby, vytvoření symbiotického vztahu se stalo v historii víckrát, i když ale jde o velice řídký jev - Některé současné kmeny pěstovaných hub byly rozmnožovány stejnými kmeny mravenců po více než 23 miliónů let - Basidiomyceta kultivovaná mravenci Atta je deficitní v proteázách a těžko může bez mravenců soutěžit s jinými houbami -List je v mraveništi macerován, promíchán se slinami a výkaly (oboje obsahuje proteázy) a inokulován houbovým mycéliem - Houba roste a produkuje gongylidia – konzumace mravenci -1999 Currie et al popsali třetí mikroorganismus v této symbióze, aktinobakterii rodu Streptomyces - nelistoví mravenci přinesou do hnízda části rostlin, na nich pak vyrostou houby a mravenci je spolu s rostlinným materiálem zkonzumují – získají tak i cellulázy, které sami neumí vytvořit a stráví tak více rostlinného materiálu Když neoplodněná (panenská) královna opouští hnízdo na snubní let, bere s sebou kousek houby ve speciální malé dutině v ústech. Po páření a vyhloubení nory se pečlivě stará o zahrádku i první potomstvo. Pokud houba zahyne, kolonie zhyne. Potom převezme péči o zahradu nová generace mravenců. Královna a plod zůstává v zahradě. Mravenci ani houba sami nepřežijí. Kolonie mohou být považovány za vysoce užitečné, nebo zcela destruktivní. Některé rostliny si vyvinuly obranu proti mravencům, u jiných částečná defoliace podporuje jejich růst. Chodby mravenců provzdušňují půdu, zlepšují její drenáž, mravenci zanáší do půdy organickou hmotu. Dokáží ale také „sklidit“ zemědělské plodiny – nájezd je náhlý z velké vzdálenosti a pole sklizené přes noc (zem. plodiny nemají ochranu – chemikálie, tuhá kutikula) Listoví mravenci - pokračování carryingleaves attanest funguscloseup Houbová zahrada s mravenci Transport kouskú listů Hnízdo mravenců Leafcut caringforbrood Krmení larvy vojáka queen2 Matka na houbové zahradě Image:Picture 053 - leafcutter ants.jpg Kultivace mikroorganismů živočichy – pokr. Kůrovci - s pomocí hub zabíjí milióny stromů v celé holoarktické oblasti (mimo tropická část severní polokoule) Bělokaz (Kůrovec) (Scolytus intricatus) Strom napadený kůrovcem V současné době velmi často dochází v důsledku narušení rovnováhy lesních ekosystémů k jejich přemnožení. Lýkožrout má však v tomto ekosystému významnou funkci. Ještě než se přemnožil a začal napadat i zdravé stromy, patřil ke druhům, které zajišťovaly omlazení lesa a jeho dobrý zdravotní stav, protože napadal jen staré, slabé a nemocné stromy. 4,5 - 5,5 mm Kultivace mikroorganismů živočichy – pokr. Kůrovci - kůrovci se už v druhohorách (250-66 mil.let) živili lýkem araukárií - koncem křídy (145-66 mil. let) v kůře araukárií „zemědělská revoluce“ na těchto jehličnanech žily vřeckovýtrusné houby z řádu Ophiostomatales. - kůrovci i houby měli stejný zájem a zároveň byli vybaveni nějakými zvláštními schopnostmi, které ti druzí postrádali - většina kůrovců si „své“ houby přenáší v mykangiích – mikroskopických žláznatých prohlubních vyplněných olejovitými tekutinami - do mykangií se kůrovcům zachytávají spory symbiotických hub rostoucích v jejich rodném požerku a ven jsou vyplavovány jen tehdy, když kůrovec tvoří závrt v novém hostitelském stromě a jeho mykangia vylučují zvýšené množství olejovitých látek. - kromě toho bývají spory hub přenášeny i roztoči, kteří se na kůrovce přichytávají Kultivace mikroorganismů živočichy – pokr. Kůrovci Kůrovci si také pěstují houby, jejichž podhoubím se živí nejen larvy, ale i vylíhnutí dospělí brouci. - nejméně dvanáctkrát v minulosti kůrovci zavrhli konzumaci hostitelských tkání a začali pěstovat jako výhradní potravu symbiotické houby a pokaždé byla tato „inovace“ v evoluci kůrovců provázena explozí druhové rozmanitosti a nevybíravosti v druhu hostitele. - houby a kůrovci užívající tuto strategii se nazývají ambróziové - hloubí chodby do dřeně stromů – vyšší vlhkost – chodby čistí, větrají -jejich larvy se živí jen podhoubím a plodnicemi hub v chodbách rodičů -houby přenosem a růstem zcela závislé na hmyzu - nejčastější v tropech (široká škála hostitelů), významní ale i v mírném pásmu: - dřevokaz čárkovaný (Trypodendron lineatum) – v Evropě vyšší škody pro dřevozpracující průmysl než lýkožrout (napadá pokácené dřevo, kde pak škodí především dřevokazná houba) - ambrosioví kůrovci zcela závislí na své houbě – i ergosterol (vaječníky i dál) - vysoce rozmanitý „rodinný život“ (často rodinné křížení) – od celoživotního soužití po soutěž (oboustrannou) o partnera/y – partnerku/y - páření i s haploidními samci (z neoplozeného vajíčka) – může si ho i sama naklást (s prvním synem se spáří, ostatní sežere) Kultivace mikroorganismů živočichy – pokr. Kůrovci – pokr. Význam feromonů (dorozumívání, lákání samic,…) - ale jen málo feromonů si kůrovci tvoří sami - většinou potřebují armádu symbiotických bakterií a kvasinek ve střevě, svým dílem přispívají také houby žijící ve stěnách požerků - existují i feromony, v nichž každý stupeň produkce provádí jiná skupina symbiontů - většina feromonů kůrovců jsou jen mikrobiálně přemetabolizované produkty hostitelského stromu - nejčastěji jde o jedovaté terpenoidy – původně obrana stromů - celý složitý aparát střevních i vnějších symbiontů produkujících pro kůrovce feromony vznikl původně jako nástroj na detoxifikaci pryskyřice bránícího se stromu - různé signály dle intenzity a kombinace feromonů - i strom se podílí – signál od „jste vítán“ až po „obsazeno“ Komenzalizmus •Jedna populace má výhodu •Druhá populace není ani pozitivně ani negativně ovlivňována •V přirozených podmínkách se uplatňuje především v produkci stimulačních látek nebo degradaci toxických látek •Ektokomenzál, endokomenzál Obvykle nejde o obligátní vztah, hostitelská populace může být nahrazena jinou neovlivněná populace přizpůsobuje prostředí jiné populaci - např. fakultativní anaerob spotřebuje kyslík a vytvoří prostředí pro obligátního anaeroba - častá je produkce růstových faktorů (vitamíny, AK) - např. Flavobacterium brevis vylučuje cystein, který využívá Legionella pneumophila ve vodném prostředí - časté v půdním prostředí - nebo přeměna nerozpustných substrátů v rozpustné a rozpustných v plynné sloučeniny – mohou se dostat do jiného prostředí - např. metan produkovaný populacemi v sedimentech je využit metan- oxidujícími populacemi ve vodním sloupci nad nimi: Desulfovibrio vytvoří acetát a vodík ze sulfátů a laktátu (anaerobní respirace a fermentace) ty jsou využity Methanobacterium pro redukci CO2 na metan - produkce kyselin jedním organismem uvolní (bez modifikace) substrát pro jiný organismus - houby produkcí enzymů rozloží celulózu na glukózu a ta je pak využita jinými mikroorganismy - někdy může jít o odstranění nebo neutralizaci toxické látky (odstranění sirovodíku, srážení těžkých kovů) - někdy jeden organismus sám o sobě poskytuje vhodné prostředí pro druhý (bakterie na povrchu řas – zde někdy až synergismus – řasa neroste bez bakterie) Komenzalizmus – pokr. Kompetice (soutěžení) •Soutěžení o zdroj živin •Mezidruhová kompetice •Intradruhová kompetice (samoředění, teritorialita) •Kompetiční výhoda • - růstová rychlost • - zdroj živin • - požadavek na růstové faktory • - tolerance k abiotickým a biotickým faktorům •V optimálním společenstvu vede tento vztah k přirozené selekci • Amenzalizmus •Produkce metabolitů - toxinů, které brzdí nebo eliminují množení a růst ostatních populací. Producent získává ekologickou výhodu nepřímo, s cílem využívání živin. • • • Amenzalizmus •Produkce toxinů je zodpovědná za •☻eliminaci některých patogenů •☻kontrolu půdních fytopatogenních hub •☻eliminaci cizorodých mikroorganizmů (např. z odpadních do čistých vod, ..) •☻destrukci introdukovaných cizorodých mikroorganizmů (do rumenu,..) •☻ •☻ • Amenzalizmus - toxiny •anorganické inhibitory •† produkce H2SO4 – sírné bakterie Thiobacillus, …. (pH až 1) •† produkce HNO2 – nitritační bakterie (Nitrosomonas, Nitrosococcus, …) •† produkce HNO3 – nitratační bakterie (Nitrobacter, …) •† produkce NH3 - , H2S - , H2O2 - , CO2 -,… Amenzalizmus – toxiny •organické látky s malou ekologickou účinností •‡ organické kyseliny s malým počtem uhlíků (mravenčí, octová, propionová, máselná ….. – vytvářejí kyselé prostředí a prostředí s nízkou hodnotou Eh) •‡ alkoholy – efekt se zvyšuje se stoupajícím počtem uhlíků Amenzalizmus – toxiny • organické látky s velkou ekologickou účinností •‡ antibiotika – jsou produkty sekundárního metabolizmu bakterií (především aktinomycet), mikromycet, hub, ….. •‡ antibiotika jsou látky produkované živými organizmy, které v malých dávkách potlačují životní procesy jiných organizmů Amenzalizmus – toxiny •Antibiotika • ‡ jeden typ antibiotika může být produkován různými organizmy (např. penicilin – Penicilium, Aspergillus, Streptomyces, Trichophyton, Arcremonium, …………… • ‡ jeden organizmus může produkovat několik antibiotik (Streptomyces hygroscopicus – 58 S. griseus – 48, Bacillus subtilis – 42) • Amenzalizmus - příklady: - produkce kyseliny mléčné nebo nízkomolekulárních mastných kyselin - E. coli neporoste v bachoru pravděpodobně díky přítomnosti těkavých mastných kyselin produkovaných anaerobními heterotrofními populacemi - Mastné kyseliny produkované mikroorganismy na povrchu kůže zabrání kolonizaci kůže jinými mikroorganismy (drží na uzdě populaci kvasinek) - Kyseliny produkované mikroorganismy ve vagíně brání rozvoji patogenů (Candida albicans) - Kyseliny produkované Thiobacillus thiooxidans zabrání růstu jiných bakterií ve vodách z dolů (acid mine drainage) - Podobně produkce kyslíku, amoniaku - Produkce ethanolu kvasinkami – nic jiného tam nemůže růst (víno) kromě acetobactera za přítomnosti kyslíku; produkované kyseliny by zase zabránily růstu jiných mikroorganismů (konzervace sýrů, siláž) - Produkce antibiotik – jejich role v přirozené prostředí stále nejasná - Podmínky, které podporují tvorbu antibiotik, nejsou časté v přirozeném prostředí (potřebují přebytek substrátu) - Ve vodním prostředí rychle vyředěna - V půdním prostředí sorbována na jílové minerály - Ale mohou mít význam v „mikroprostředích“, kde je zvýšená koncentrace živin (zymogenní mikroorganismy rostoucí na kousku organické hmoty v půdě) - bakteriociny podobné antibiotikům ,ale účinné jen na velmi příbuzné druhy – destabilizují membránu (její funkce) – pak samozřejmě vítězí na těmito příbuznými… Parazitizmus •V tomto vztahu jeden organizmus žije na úkor druhého. Existence parazita je závislá na organizmu hostitele, který je při tomto vztahu poškozován (v některých případech může dojít po určité době i k eliminaci hostitele). Parazitimus je vztah dlouhodobý. Parazitizmus •Parazit je více či méně závislý na svém hostiteli •Fakultativní parazitizmus – vazba je volná, druhy mohou žít nezávisle na sobě •Obligatorní parazitizmus – vztah parazita na hostitele je závazný (nemůže bez hostitele existovat) •Ektoparazit, endoparazit •Spektrum rozmezí hostitele •Hyperparazitizmus (Puccinia graminis - Xanthomonas - fág) Parazitizmus •Spektrum rozmezí hostitele – parazit vyhledává jen určité organizmy nebo příbuzné skupiny organizmů •Úzké spektrum rozmezí hostitele – parazit vyžaduje obvykle organizmy jednoho druhu (selektivita i při “výběru“ vhodných tkání (Neisseria meningitidis – pouze míšní mok nebo blány mozku, Corynebacterium diphteriae (záškrt)– mukózní membrány respiračního traktu atd.) •Široké spektrum rozmezí hostitele – velký počet i nepříbuzných hostitelů Parazitizmus •Ektoparazit – je lokalizován na vnějším povrchu hostitele (Bdellovibrio – připojuje se na vnější část buněčné stěny G- i G+ bakterií, protozoa – usídlená na žábrech nebo kůži živočichů, …) • Životní cyklus Bdellovibrio Bdellovibrio bakteriální buňka - hostitel buněčná stěna plazmatická membrána Životní cyklus Bdellovibrio Penetrace Bdellovibrio bacteriovorans přes buněčnou stěnu E.coli Enkapsulace Bdellovibrio mezi buněčnou stěnou a cytoplazmatickou membránou Parazitizmus •Endoparazit – žije uvnitř organizmu hostitele (mikroorganizmy usídlené v řasách a houbách, heterotrofové v gastrointestinálním traktu,…) • Parazitizmus - intracelulární Rickettsia popilliae ve vakuole buněk chrousta Rickettsia rickettsii ve vaginálních buňkách hraboše Parazitizmus •Hyperparazitizmus – vztah, v němž parazit je napaden jiným (“svým“) parazitem Puccinia graminis pšenice trávy kůň Xanthomonas Puccinia graminis Puccinia graminis Ciliates bakteriofág Xanthomonas Darluca filum bakteriofágy Hostitel primárního parazita Hostitel pro hyperparazita Hyperparazit Predace •Jeden organizmus usmrcuje a stravuje druhý organizmus •V mikrobiální ekologii je predace definována jako způsob získávání jak živin, tak i růstových látek •Úzká specifita “ke kořisti“ •Široká specifita “ke kořisti“ • • Predace •Příklady spotřeby některých predátorů 24-48/h 50/buněčné dělení 18 000/buněčné dělení Tetrahymena Glaucoma B.subtilis Amoeba Leucophryx Paramecium Počet spotřebovaných buněk Kořist Predátor tetpic paramecium Predace •Rezistence “mikrobiální kořisti“ k predaci •☻přítomnost pouzder – Bacillus anthracis, Streptococcus pneumoniae, Yersinia pestis, ……. •☻produkce makrokapsul tvořených polysacharidy – Rhizobium, Azotobacter, Klebsiella,…. •☻ produkce specifických látek zabraňujících destrukci a následnému konzumování bakteriální buňky (Serratia marcescens, Pseudomonas fluorescens,…) Snaha o změnu původního společenstva •Aplikace čisté kultury azotobaktera •Použití čistých kmenů rhizobií k infekci rostlin •Postřik půdy Bacillus megaterium – přeměna organicky vázaného P na anorganický •Aplikace mikroorganizmů na rostliny – zamezení rozvoje rostlinných patogénů •Přidání laktobacilů do mléka – změna intestinální mikroflóry •Aplikace bakterií do úst – potlačení bakterií produkujících kyselinu mléčnou • • Vztah mikroorganismů k neživému prostředí Biogeochemické procesy •Mineralizace – přeměna organicky vázaného prvku na jeho anorganickou formu •Imobilizace – přeměna anorganických živných prvků na organické komplexy •Oxidace – vyvolávané mikroorganizmy jsou obvykle spojené s jejich metabolizmem •Redukce – spojení s metabolizmem. Mikroorganizmy je využívají jako terminální akceptory protonů a elektronů •Fixace – volatizace- transformace podílející se na změně v množství prvků v systému (např. denitrifikace na N2 nebo oxidy dusíku, … a obráceně – fixace molekulového dusíku, oxidace H2S, …) •biogeochemické cykly •likvidace odpadů a toxických látek Schéma biogeochemického cyklu Schéma koloběhu uhlíku Schéma koloběhu uhlíku fixace rostliny, řasy, sinice degradace půdní a vodní mikroorganizmy fosilní palivo mrtvé organizmy fotosyntéza rozpuštěný CO2 vodní bakterie mrtvé organizmy (i vodní organizmy) konzumace rostliny, řasy, sinice respirace rostlin respirace živočichů živočichové rostliny dřevo a fosilní palivo spalování CO2 v atmosféře CH4 + CO2 Schéma koloběhu dusíku Schéma koloběhu dusíku N2 N2O fixace N2 NO2- NO2- NO3- NH3 degradace bílkoviny z mrtvých buněk symbiotická fixace N2 nitrifikace fixace asimilace amonizace hlízkové bakterie nesymbiotická fixace N2 průmyslová fixace jako fertilizér denitrifikační bakterie (Pseudomonas, Bacillus licheniformis, Paracoccus denitrifikans, …) Nitrosomonas Nitrobacter denitrifikace degradace (aerobní, anaerobní bakterie, houby) amonizace fixace nitrifikace denitrifikace Schéma koloběhu síry Schéma koloběhu fosforu •biogeochemické cykly •likvidace odpadů a toxických látek Biodegradace •Biodegradace - biologický rozklad - je speciálním případem degradace, při níž dochází k rozkladu polymerů působením biologických činitelů •Mineralizace – úplný rozklad “toxické“ organické látky na anorganické sloučeniny, které se zařadí do koloběhu prvků Biodegradace Biodegradace •Biodegradace - všechny přirozené procesy uskutečňované bakteriemi a dalšími organizmy, vedoucí k destrukci organických molekul •Bioremediace – akcelerace procesů biodegradace •Fertilizace – bioremediační metoda, spočívající v akceleraci již probíhajících biodegradačních procesů •Seeding – obohacení kontaminovaného prostředí degradátory se známým katabolickým potenciálem • Kompostování Biodegradace Bioreaktor na anaerobní bioremediaci zeminy kontaminované trinitrotoluenem Organizmus: Clostridium bifermentans Biodegradace – in situ kontaminace nádrž na olej (zdroj primárrní kontaminace) organizmy + živiny + kyslík monitorovací sondy Biodegradace - fytoremediace kontaminovaná zemina mikroorganizmy OM – organické látky produkované rostlinou pro kometabolizmus Probiotika •Živé organizmy, které se v určitém množství dostávají do těla spolu s potravou a které jsou schopny příznivě ovlivnit zdraví člověka Bakterie s probiotickým účinkem •Bifidobacterium •Enterococcus •Lactobacillus •Lactococcus •Leuconostoc •Pediococcus Komerčně dostupné kmeny s probiotickým účinkem • Kmen Výrobce • L.acidophilus NCFM Rhodia Inc. • L.casei Shirota Yakult • L.casei Immunitas Danone • L.fermentum RC-14 UrexBiotech • L.rhamnosus 271 Probi AB • L.salivarius UCC 118 University College Cork • L.lactis B6-12 Chr.Hansen • B.longum BB 536 Marinaja Milk Industry • B.breve Yakult • Enterococcus faecium Arla Foods • • Požadavky na komerční kmen s probiotickým účinkem •Musí být zdravotně nezávadný •Musí být natolik tolerantní, aby se “nepoškodil“ v průběhu technologického zpracování •Musí projít bez poškození gastrointestinálním traktem •Musí mít dobrou schopnost vazby na epitel střeva •Musí mít pozitivní vliv na zdraví člověka Popsané účinky probiotických bakterií •Posílení imunitního systému (L.acidophilus, L.casei, L.plantarum, L.delbrueckii,L.rhamnosus) •Úprava složení střevní mikroflóry (L.acidophilus, L.casei, B. bifidum) •Redukce koncentrace cholesterolu v séru (L.acidophilus, L.casei, L.plantarum, • L. gasseri, B.longum) Popsané účinky probiotických bakterií •Prevence průjmových onemocnění- cestování (Saccharomyces spp., L.acidophilus, B. bifidum, Streptococcus thermophilus, L.bulgaricus) •Prevence rotavirového průjmového onemocnění (L.rhamnosus, B. bifidum) • • Popsané účinky probiotických bakterií •Zlepšení využívání laktózy jedinci • s laktózovou intolerancí (L.acidophilus, L.casei, L.plantarum, Streptococcus thermophilus, L.bulgaricus, B. bifidum) • • Popsané účinky probiotických bakterií •Snížení tvorby karcinogenů – enzymy (L.acidophilus, L.casei, L.delbrueckii, L. gasseri) •“Protinádorové“ účinky (L.acidophilus, L.casei, L. gasseri, L.plantarum, L.delbrueckii,B. infantis, B.adolescentis, B.bifidum, B.longum) Prebiotika •Nestravitelné potravinové příměsi, • které stimulují růst jednoho druhu nebo omezeného počtu druhů bakterií v tlustém střevě Prebiotika •Frukto-oligosacharidy •Galakto-oligosacharidy •Xylo-oligosacharidy •Malto-oligosacharidy •Sojové oligosacharidy • Komerční probiotické přípravky pro živočichy •TOPTECH P – Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus spp., Enterococccus faecium, Pediococcus pentosaceum •TOYCERIN – Bacillus cereus •Metabion – Lactobacillus spp. •Cernivet – LBC - Enterococccus faecium •Probios – Lactobacillus plantarum, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei, Enterococccus faecium