1
Význam mikroorganizmů
Význam mikroorganizmů
A. Mikroorganizmy způsobující
onemocnění
(v přednášce budou uvedena pouze
vybraná bakteriální onemocnění!)
A. Užitečné mikroorganizmy
• Potravinářství
• Zpracování odpadů
• Biokontrolní mikroorganizmy
2
A. Patogenita
• Mikroorganizmy nepatogenní – existují vůbec??
• Mikroorganizmy patogenní
Primární (obligátní) patogeny
Oportunní (fakultativní) patogeny
Obligátní patogeny vyvolávají onemocnění u původně zdravých jedinců s
nepostiženou imunitou, např. Corynebacterium diphtheriae, Salmonella typhi,
Neisseria gonorrhoeae, Yersinia pestis, Streptococcus pyogenes…
Fakultativní patogeny vyvolávají onemocnění za určitých podmínek, většinou u
jedinců se sníženou obranyschopností, pocházejí většinou z endogenní
mikroflóry nebo okolního prostředí, např. Escherichia coli, enterokoky,
Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa…
Rychlým průchodem
vzduchu přes cilie
nosohltanu dochází
k odstranění mikroorganizmů
Kůže je bariéra produkující
antimikrobiální mastné kyseliny,
její přirozená mikroflóra
inhibuje kolonizaci patogeny
Kyselost žaludku
(pH 2) inhibuje
mikrobiální růst
Přirozená mikroflóra
soupeří s patogeny
Proplachování močového
traktu je prevencí
proti kolonizaci
Lysozym v slzách
a jiných sekretech
rozpouští buněčné stěny
Sliznice a tracheální řasinky
pomáhají vylučovat
mikroorganizmy z těla
Sliznice a fagocyty v plicích
jsou prevencí kolonizace
Krevní a lymfatické proteiny
inhibují růst mikroorganizmů
Rychlá změna pH
inhibuje mikrobiální růst
Přirozená mikroflóra
soupeří s patogeny
ve střevech
3
1.Patogeny přenášené vzduchem
Přímý kontakt nakažených (např. kapénková nákaza) –
většina patogenů nepřežívá ve vzduchu, přenos jen na
malé vzdálenosti
Infekce dýchacího traktu
Různé mikroorganizmy charakteristicky kolonizují dýchací
trakt na různých úrovních
Regions Pathogens
Horní
cesty
dýchací
Dolní
cesty
dýchací
Nasal cavity
Oral cavity
Pharynx
Larynx
Trachea
Primary bronchus
Secondary bronchus
Respiratory bronchiole
Terminal bronchus
Alveolar ducts
Alveolar sacs
Alveoli
Over 60
150
180
65
14
2
1
4
6
Below 3
10
20
Airvelocity(cm/sec)
Sizeofparticlespenetrating(m)
Staphylococcus aureus
Neisseria meningitidis
Streptococcus pyogenes
Corynebacterium diphtheriae
Haemophilus influenzae
Influenza virus
Coccidioides immitis
Bordetella pertussis
Streptococcus pneumoniae
Coxiella burnetii
Chlamydophila psittaci
Streptococcus pyogenes
beta hemolytické
streptokoky skupiny A
• Běžně se nachází
v malém počtu
v horních cestách
dýchacích zdravých
jedinců
• Může způsobit zánět
středního ucha, prsní žlázy
a kůže
• Infekce propukne
u oslabených jedinců nebo
v přítomnosti silně
virulentního kmene
4
Streptococcus pyogenes
beta hemolytické streptokoky skupiny A
• Erysipel (růže) – akutní lokalizovaný zánět kůže s alterací celkového stavu, častá
recidiva
• Incidence v ČR: 36,4/100 000 obyvatel (ČR rok 2014), povinné hlášení, léčba
penicilinem
• Spálová angína – akutní tonzilitida provázená exantémem
• Exotoxin – angína, erytém obličeje, malinový jazyk
Erysipel (růže)
Streptococcus pneumoniae
• Alfa-hemolytický streptokok
• Roste ve dvojicích, tvoří pouzdra
• Opouzdřená forma způsobuje pneumonii,
meningitidy nebo sepse
• Neopouzdřená forma u 70 % dětí běžně
• Průkaz streptokoků kultivací
• Častá je rezistence k antibiotikům
S. pneumoniae na krevním agaru
(P. Dušek, LF UK)
5
Corynebacterium diphtheriae
• Záškrt (diftérie) – závažné infekční onemocnění vyvolané tzv. difterickým
toxinem Corynebacterium diphtheriae
• Toxin vyvolá nekrózu buněk zablokováním proteosyntézy, tvorbu tzv. pablán
(pseudomembrán) z odumřelých buněk, fibrinu a leukocytů – může způsobit
udušení
• Povinné očkování v ČR od r. 1946
• Léčba antibiotiky
• Difterický antitoxin pro akutní případy
www.zdravotnickydenik.cz
Bordetella pertusis
• G- krátká nepohyblivá tyčinka ovoidního tvaru
• Osídluje řasinky dýchacích cest, lidský patogen
• Původce černého kašle – akutní, vysoce infekční onemocnění
• Výskyt častý u malých dětí, dráždivý kašel
• Pertusový toxin
• Očkování zavedeno v ČR od r. 1958, od r. 2007 součást hexavakcíny, chrání jen
4 až 12 let
B. pertusis – Gramovo barvení
2011 v ČR hlášeno cca 300 případů
2014 již přes 2500 případů!
6
Mycobacterium tuberculosis, M. bovis
• Rovné nebo mírně zakřivené tyčky,
občas se větvící. Mohou se vyskytnout
vlákna nebo “mycélium“ připomínající
struktury, které se snadno rozpadají do
tyček a koků
• Aerobní a chemoorganotrofní
• Mykobakterie jsou rozšířené v půdách a
vodách, některé druhy jsou obligátní
paraziti a patogeni obratlovců.
• M. tuberculosis – původce tuberkulózy,
projevuje se jako onemocnění
jednotlivých orgánů nebo v
generalizované formě; patogenní pro
člověka, primáty a jiné živočichy.
• M. bovis – čerstvé izoláty jsou
mikroaerofilní; původně izolován
z tuberkulózy skotu, ale obecně je tento
druh patogenní pro většinu zvířat.M. tuberculosis ve sputu
2014: 512 onemocnění v ČR, zemřelo 21 osob
cca. 5 případů/100 tis. Obyvatel
2011 zrušeno plošné očkování dětí
Mycobacterium tuberculosis
Zdroj: Ústav zdravotnických informací a statistiky ČR, 2014
7
Mycobacterium tuberculosis
Zdroj: Ústav zdravotnických informací a statistiky ČR, 2014
Mycobacterium leprae
• Vážné onemocnění způsobující boulovité léze na těle
M. kansasii – izolován z plicních lézí
člověka, je patogenní, způsobuje
onemocnění připomínající tuberkulózu
M. leprae – obligátně intracelulární parazit,
způsobuje onemocnění kůže, varlat a
periferního nervového systému známého
pod jménem malomocenství neboli lepra
8
Neisseria meningitidis
tzv. meningokok
• Způsobuje meningitidu (zánět meningů) u člověka
• Přenos kapénkami
• G- diplokok, nesporulující, opouzdřený – kapsulární polysacharid obohacen
kys. sialovou – rezistence k fagocytóze
• Kosmopolitní rozšíření, ohrožení dětí a mladistvých
• Horečky, bolesti svalů, kloubů a hlavy, spavost, výsev patechií na kůži –
klinický obraz sepse
• U nejtěžších forem může nastat meningokoková sepse – septický šok s
respiračním a renálním selháním - smrt
• Vakcína proti meningokokům typu B
www.shutterstock.com
Fluorescenční
barvení
protilátek
Neisseria meningitidis
sufuze jako projev meningokokové infekce
Foto autor: MUDr. Hana Roháčová, Ph. D. Klinika infekčních, parazitárních a tropických nemocí FN Na
Bulovce, Praha
9
2.Patogeny přenášené přímým kontaktem
• Staphylococcus
• Helicobacter pylori a gastrické ulceritidy
• Sexuálně přenosná onemocnění
Treponema pallidum
• Původce syfilis
• Častý je přenos společně
s kapavkou
• Kongenitální syfilis – přenos z
matky na plod
• Tři fáze: primární, sekundární
a terciální
• Penicilinem lze léčit primární a
sekundární fázi
• 2012: 696 případů v ČR
Museé de l'Homme,
Trocadéro, Paris
USA Centre for Disease Control and Prevention
3. Přenos infekce živočišnými vektory
• Mikroorganizmy přenášené vektory
mají většinou velkou virulenci.
• Vektor se pohybuje na delší
vzdálenosti, nerespektuje hranice
hostitelského druhu
• Častá je superinfekce a velké
inokulum
10
Rickettsia prowazekii (skvrnitý tyfus)
Rickettsia rickettsii (horečka Skalistých hor)
• Vztah ke krev sajícím
členovcům
• Způsobují skvrnité
horečky
• 3 skupiny:
(1) Způsobující tyfus,
(2) Způsobující skvrnitou
horečku,
(3) Způsobující erlichiózu
rickettsióza
Borrelia burgdorferi
• Lymeská borelióza – 1982 objevil Dr. Burgdofrer
• Postihuje člověka i zvířata
• Old Lyme (Connecticut) místo identifikace prvních případů,
onemocnění kloubů u dětí v blízkosti lesa
• Přenos klíštětem
• Šíří se klíšťaty vysoké zvěře
Ixodes scapularis, hlavní
vektor
G- spirocheta B. burgdorferi
11
Yersinia pestis
• Původce moru
• G-, fakultativně anaerobní tyčinka
• Po malárii a tuberkulóze nejvíce obětí
• Ve středověku známá pod názvem „černá smrt“
vzhledem ke gangrénám a černání částí těla
Onemocnění hlodavců,
člověk je náhodným
hostitelem, blechy jsou
mezihostitelem a vektorem,
který roznáší Y. pestis mezi
savci
Při včasném
rozpoznání lze léčit
antibiotiky
Clostridium tetani
• Tetanus – vážné, život ohrožující onemocnění
• Bakterie produkuje exotoxin
• Přirozeným rezervoárem je zemina
• Vstupní branou je do hloubky poraněná kůže znečištěná zeminou
• Dojde ke křeči svalů
• Vakcinace
© 2012 Pearson Education, Inc.
4. Přenos patogenů z půdy
12
5. Přenos patogenů vodou
• Patogeny přenášené vodou rostou obvykle ve střevech a šíří se
výkaly
Cholera – Vibrio cholerae
• Průjem, infekce po pití kontaminované vody
• V rozvojových zemích rozšířená
© 2012 Pearson Education, Inc.
V. cholerae atakuje epiteliální buňky tenkého
střeva, uvolňuje zde choleratoxin (enterotoxin)
Průjem „rýžová voda“
Dehydratace může vést ke smrti
Léčba – rehydratace elektrolyty
Legionella penumophila
• Legionelóza (legionářská nemoc)
• Přenos aerosolem
• G- bakterie běžná ve vodách
• Relativně odolná ke chloraci a vyšší teplotě, běžná v chladících
věžích a klimatizačních systémech
• Infekce není přenosná mezi lidmi, jen aerosolem
• Léčba antibiotiky je účinná
• Prevence – projektování chladících a
topných systémů s ohledem na riziko
legionelózy
Vyhláška č. 252/2004 Sb. stanoví hygienické
požadavky na pitnou a teplou vodu a četnost
a rozsah kontroly pitné vody
- Limit legionel pro nemocnice a ubytovací
zařízení – 100 KTJ / 100 ml
13
Salmonella enterica
• Celosvětově rozšířený patogen přenášený vodou
• Onemocnění – tyfus
S. enterica ssp. enterica sérovar Typhimurium
Buňky mají tvar rovné tyčky, většinou pohyblivé
peritrichálními bičíky.
Fakultativně anaerobní a chemoorganotrofní.
Vyskytují se
u člověka, studenokrevných
i teplokrevných živočichů, v potravinách i
v prostředí.
Patogenní pro člověka a pro zvířata. Je to infekční
agens tyfu, střevních horeček, gastroenteritid
a septikémií.
6. Onemocnění přenášená potravinami
Zdravotní problémy způsobené potravinami:
1. Intoxikace – působení toxinů uvolňovaných do potravin
mikroorganizmy, mikroorganizmy nemusí vykazovat růst
2. Infekce – mikrobiální infekce způsobená požitím kontaminované
potravy následovaná růstem mikroorganizmů
Escherichia coli O157:H7
Escherichia coli – enterotoxigenní,
enteroinvazivní nebo enteropatogenní
Produkuje enterotoxiny: shigatoxin,
verotoxin
14
Clostridium perfringens
Clostridium botulinum
• Produkují endospóry, které jsou odolné k vaření a konzervování
• C. perfringens – V USA a V. Británii je 3. nejčastější příčinou nemoci z potravin
• Infekční dávka je více než 108 CFU!
• 6 – 15 hodin po jídle je produkován termolabilní enterotoxin
C. perfringens
Krystal toxinu
Spóra
B. Užitečné mikroorganizmy
Využití:
• Potravinářství
• Při zpracování odpadů
• Jako biokontrolní mikroorganizmy
15
Mléčné produkty
• Fermentované mléčné nápoje
• Kysaná mléka: Streptococcus lactis, Streptococcus cremoris,
Streptococcus lactis subsp. diacetilactis), kefír, kumys atd.
• Jogurty: Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus thermophilus
• Sýry
- Čerstvé sýry, tvaroh
- Bílé sýry
- Měkké sýry
- Plísňové sýry
- Sýry s mletou sýřeninou
- Sýry z nízkodohřívané sýřeniny
- Sýry z vysokodohřívané sýřeniny
Máslo - z kyselé smetany
- ze sladké smetany
Fermentované nápoje
Pivo a pivu podobné nápoje
• Pito – nealkoholický nápoj, při jehož přípravě se vychází z 4%
mladiny a zkráceného kvašení. Doba kvašení je volena tak, aby
obsah alkoholu nebyl vyšší než 0,59 %
• Ruský kvas – nápoj z ječného nebo žitného sladu, žitné mouky.
Kvasinky Saccharomyces cerevisiae. Obsahuje asi 0,5 % alkoholu
• Pombe – vyráběný z prosa činností Saccharomyces pombe.
Obsahuje asi 0,5 % alkoholu. Někdy se označuje jako “africké pivo“
Víno
• Mikroorganizmy podílející se na výrobě vína : Kloeckera
appiculata, Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus,
Saccharomyces oviformis, Hanseniaspora guilliermondii,
Lactobacillus ssp. (pro jablečno-mléčnou fermetaci – snížení
kyselosti vína)
16
Fermentované nápoje
Výroba bílého vína
mletí hroznů
Lisování
Rmut – rozdrcené bobule
matolina
vylisované zbytky
mošt
SO2
kvašení
zrání
školení
filtrace
pasterace
Expedice
Fermentované nápoje
Výroba červeného vína
školení
filtrace
pasterace
Expedice
lisování
matolina
mošt
zrání
kvasinky
“kvašení na slupkách“
kvašení
mletí hroznů
SO2
17
Fermentační výroba etanolu
• Výroba lihu destilací byla známa více než 2000
let před naším letopočtem
• Ve středověku byl líh řazen mezi základních
5 prvků – Země, Voda, Vzduch, Oheň, Líh
• V lihovarnictví rozlišujeme výrobu :
zemědělského lihu (škrobnaté plodiny brambory,
obilí. Cukerné plodiny –
cukrovka, polocukrovka, ovoce)
průmyslového lihu (substrát – melasa,
sulfitové výluhy, lignocelulóza – dřevní
odpad)
Fermentační výroba etanolu
Surovina
Melasa, cukrový roztok, škrob, celulóza
Úprava
Hydrolýza, čeření, filtrace, pasterace
fermentace
destilace
dehydratace
denaturace
výpalky
(hnojivo, krmivo,
palivo, výroba
metanu)
Kvasinky (Saccharomyces cerevisiae,
Kluyveromyces, Candida), CO2
rafinovaný etanol (96% obj.)
absolutní etanol
18
Lihoviny podle původu etanolu
• Lihoviny vyráběné kvasným pochodem – etanol vzniká
zkvašením sacharidických surovin pro výrobu lihovin.
Následující destilací a dalšími úpravami destilátu se
získá konečný výrobek, jehož charakter je určen
původní zpracovávanou surovinou (slivovice, brandy,
koňak, whisky, calvados, …)
• Lihoviny vyráběné studenou cestou bez kvašení –
připravují se smícháním jednotlivých složek. Základní
surovinou je rafinovaný líh (vyrobený v oddělených
lihovarech). Dalšími složkami jsou cukr, ovocné
suskusy a šťávy, destiláty, maceráty bylin a drog apod.
(vodka, gin, Becherovka, tuzemský rum, ….)
Produkce antibiotik
• Antibiotika jsou v přírodě se
vyskytující látky produkované
organizmy, které inhibují aktivitu
jiných organizmů, nebo je
usmrcují
• Je známo více než 10 000
antibiotik, ale komerčně se
využívá asi 100
• Antibiotika jsou sice
produkována organizmy, ale
patří sem i látky syntetické
odvozené na základě
přirozených zdrojů
• Některá antibiotika mohou být
semisyntetická
Některá antibiotika produkovaná
mikroorganizmy
Penicilin Penicillium chryzogenum
Bacitracin Bacillus licheniformis
Chlortetracyklin Streptomyces autreofaciens
Chloramfenikol Streptomyces venezuelae
Neomycin Streptomyces fradiae
Nystatin Streptomyces noursei
Streptomycin Streptomyces griseus
Polymyxin Bacillus polymyxa
19
Vitamíny
Vitamín C (kyselina askorbová)
Glukóza
kys.glukonová
kys.5-ketoglukonová
kys.idonová
kys.2-ketogulonová
kys.diaceton-2-ketogulonová
kys.askorbová
Acetobacter melanogenum
Acetobacter suboxidans
Acetobacter suboxidans
Pseudomonas mildenbergii
sorbóza Sorbitol
Acetobacter suboxidans
kys.vinná
Acetobacter suboxidans
chemicky
Aminokyseliny
Základní reakce při syntéze kyseliny glutamové
Glukóza
glykolýza
pyruvát+pyruvát
kys.oxaloctová
acetát+
izocitrát
α-ketoglutarát
NADP+
NADPH
glutamát
α-ketoglutarát
NH3
CO2
CO2
Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium sp., Arthrobacter sp., Microbacterium,sp.
Organizmy:
20
Produkce organických kyselin
kyselina octová - ocet
• První zmínky o výrobě octa se objevují asi 10000 let př.n.l.
• O octu jsou zmínky ve Starém i Novém Zákonu
• Pro alchymisty byl ocet jedna z nejvýznamnějších surovin
• Po domácku byl ocet původně připravován “kvašením“
alkoholických nápojů a používal se hlavně jako
rozpouštědlo, lék, nápoj, ….
• Mikrobiologickou podstatu přípravy octa popsal v r. 1868
L.Pasteur a potvrdil tak objev Kützinga z r. 1837 (popsal
příčinu octového kvašení)
• Rychlý rozvoj výroby octa byl zaznamenán v 19. století, kdy
se začal používat jako pochutina k okyselování, kořenění
a konzervaci
Produkce organických kyselin
kyselina mléčná
• Z hlediska technologického mají význam především bakterie
uskutečňující homofermentativní mléčné kvašení
• Podle vztahu k teplotě jsou využívány termofilní - Lactobacillus
delbreuckii subsp. delbreuckii, L. delbreuckii subsp. bulgaricus, L.
thermophillus nebo mezofilní Streptococcus lactis a Pediococcus sp.
• Potravinářská (60% roztok) – má velmi jemné příjemné aroma – při
výrobě ovocných šťáv, sirupů, cukrovinek (nahrazuje kyselinu
citronovou), ke konzervaci (zeleniny, ovoce, ryb)
• V chemické výrobě – příprava kyseliny akrylové – výrova plexiskla a
plexigumy
• V koželužství – dekalcinace kůží
• V barvířství – jako mořidlo
• Ve farmaceutickém průmyslu – Ca, Fe soli (vysoká čistota, obsah
více než 90 %)
21
Produkce organických kyselin
kyselina mléčná
• POLYMER MLÉČNÉ KYSELINY (Polylactic acid - PLA) chemická
polymerace kyseliny mléčné
• Bioplast PLA je svými vlastnostmi podobný konvenčním plastům
(polyetylenu - PE, polypropylenu – PP), proto závěrečný krok výroby
polymerizaci PLA je možné provést na již existujících zařízeních
používaných právě k výrobě PE nebo PP. Výhodou PLA je jeho
průhlednost.
• Velice důležitou vlastností PLA je jeho dobrá snášenlivost
v lidském těle - biokompatibilita. Lidské tělo po čase PLA resorbuje, aniž
by tento proces pro něj představoval nadměrný stres. Toho se využívá
především v medicíně, když se právě z PLA vyrábí samovstřebatelné
stehy a implantáty
Produkce organických kyselin
kyselina mléčná
• Bioplast PLA
BiodegradabilitaVýrobce: Natureworks LLC
22
Produkce organických kyselin
kyselina citronová
• Izolace kyseliny citronové z citronové šťávy r.1784 Scheel
• První komerční výroba kys. citronové z citronové šťávy v
r.1826 Sturge (Anglie)
• V r. 1893 (Wehner) zjištěna při produkci kyseliny
šťavelové Penicillium glaucum
• Záhorský v r. 1913 získal patent na produkci k. citronové
Aspergillus niger
• Podklady pro průmyslovou výrobu s produkčním kmenem
Aspergillus niger – J. Currie v r. 1917
• První otevření výroby 1928 - Kaznějov u Plzně, Belgie,
USA, Anglie
A. niger: Mycology online
Produkce organických rozpouštědel
butanol
• Především mikrobiologická produkce butanolu,
acetonu a butylenglykolu
• Suroviny - škrobnaté (kukuřice, obilí, rýže, brambory)
- cukerné (melasa, sulfitové výluhy, hydrolyzáty dřeva)
• Zrniny se nejprve melou, smísí s vodou a sterilizují při
zvýšené teplotě a tlaku
• Produkční organizmy – zástupci rodu Clostridium
• Butanol se používá jako
- rozpouštědlo v mnoha chemických a textilních
procesech (např. ředidlo barev)
- složka hydraulických a brzdných kapalin
- složka parfémů
23
Produkce biopolymerů
exopolysacharidy - xantan
• Xantan je produkován zástupci rodu Xantomonas
(X.campestris)
• Průmyslová výroba fa Merck 1963
• Patří mezi hydrokoloidy (látky vázající vodu) – používá se
jako zahušťovadlo roztoků na vodní bázi a dále jako
stabilizátor
• V potravinářském průmyslu se využívá v těchto oblastech
(používá se pod názvem xantanová guma):
salátové tekoucí dressingy, masové šťávy a omáčky,
masné produkty (šunka, drůbež), zmrzliny, nápoje –
džusy, cukrovinky, pečivo, zejména litá těsta a
některé speciální výrobky: palačinky a lívance,
muffins, biskvity, nízkokalorické chleby a pečivo,
bezlepkové výrobky, mražené a chlazené pečivo.
Finální výrobky zůstávají déle čerstvé, křehké a mají
zpomalené vysychání (tvrdnutí).
Produkce biopolymerů
exopolysacharidy- xantan
• Je ideální jako stabilizátor pro zubní pasty a gely nebo ve
farmaceutických přípravcích
• V průmyslu se xantan využívá jako stabilizátor
rozstřikovaných látek, stabilizuje vodou ředitelné barvy,
přísada do keramických glazur, …
• Využívá se i v mléčných náhražkách pro telata a selata nebo
při výrobě šťavnatých krmiv pro domácí mazlíčky
Bio-harmonie.cz
24
Produkce biopolymerů
exopolysacharidy
dextran
• Producent – Leuconostoc mesenteroides
• Polymer α-D-glukózy
• Mechanizmus syntézy dextranu je dosud nejasný
• Komerční využití
- Výchozí materiál pro výrobu biologicky odbouratelných polykationtů a
polyaniontů – využití ve fotografickém a kosmetickém průmyslu, při
čištění vod, v zemědělství
- Přísada pro stabilizaci mražených mléčných produktů
- Použití jako stabilizátoru při výrobě hotových jídel (z masa, zeleniny,
ryb)
- V cukrovinkách zabraňuje krystalizaci, zvyšuje viskozitu, udržuje vůni
- V poslední době se hodně používá při výrobě nealkoholických nápojů,
aromatických výtažků a polev
Produkce enzymů
Enzym zdroj aplikace
Amyláza Bacillus subtilis v potravinářství (výroba piva,
etanolu, pekárenský průmyslBacillus diastaticus
Aspergillus niger
Proteáza Bacillus subtilis v potravinářství (pekařství- zkracují
přípravu těsta, sýrařství – sýřidlo),
krmivářství(zvýšení účinnosti výkrmu),
kožedělném průmyslu (úprava usní),
výroba pracích prášků), doplněk stravy
Aspergillus niger
Aspergillus oryzae
Aspergillus flavus
Glukózaoxidáza Penicillium notatum odstraňování glukózy, testovací proužky
pro diabetikyAspergilus niger
Lipáza Micrococcus výroba sýrů, potravinový doplněk
25
Příprava lidských proteinů
• Pro docílení úspěšné exprese eukaryotických genů
v bakteriích se musí nejdříve vytvořit v laboratoři genový
konstrukt (transgen), který bude v bakteriích fungovat
stejně dobře jako v buňkách původního organizmu optimalizace
genové exprese. Po vytvoření se genový
konstrukt vnese do produkčního kmene.
• První produkty připravené metodami genového
inženýrství v geneticky pozměněných bakteriích byly
lidský inzulin (1982) a růstový hormon, které lze
díky jejich jednoduché struktuře připravit v bakteriích
v aktivní formě.
Výroba potravinářské a krmné biomasy –
SCP (single cell proteins)
• Mikrobiální biomasa má sloužit především jako zdroj
bílkovin, vitaminů, fosfolipidů atd.
• Cílem je získat produkt s vysokým obsahem požadované
složky – především bílkoviny. Dříve se propagovala tam,
kde nebyla dostupná jiná bílkovina. V takovém pojetí se
jeví jako ekonomicky nezajímavá a nemůže konkurovat
např. sojové bílkovině
• Ekonomicky schůdné je však komplexní využití
vyprodukované biomasy. Produkty mohou potom nalézt
uplatnění ve výživě, zdravotnictví zbytky pro přípravu
krmiv atd.
26
Výroba potravinářské a krmné biomasy –
SCP (single cell proteins)
• Vedle Saccharomyces se v současné době využívají kmeny rodu
Candida. Většina používaných kmenů produkuje minimálně 50%
bílkovin v sušině. Tyto kmeny jsou výhodnější i svými menšími nároky
na výživu a tolerují media s vyšším obsahem solí
• Candida utilis, Candida tropicalis, Candida pseudotropicalis, Candida
robusta, Candida scottii, Candida ingens, Candida crusei, Candida
mogii, Candida boidinii a další
• Ostatní kvasinkovité mikroorganizmy jako Yarrowia lipolytica,
Hansenula anomala, Hansenula polymorfa, Hansenula capsulata,
Pichia pastoris a další
• V některých speciálních případech jsou využívány
i bakterie Methanomonas methanica, dříve Pseudomonas methanica
(při výrobě biomasy ze zemního plynu)
Výroba potravinářské a krmné biomasy –
SCP (single cell proteins)
• Melasa – v současné době jen ve výjimečných případech
• Lihovarské výpalky
• Sulfitové výluhy (po výrobě celulózy)nebo hydrolyzáty dřeva
• „Citrolouhy“ (po výrobě kyseliny citronové)
• Syrovátka a další “odpady“ z potravinářské výroby, případně zemědělství
• n-alkany
• Etanol, metanol – mohou být připraveny velmi čisté a získané SCP je
nejvyšší kvality
• SCP (bakterie, kvasinky) obsahuje 70 - 80 %hm. čistých bílkovin
• Mikrobiální biomasa se vyznačuje vysokým obsahem nukleových kyselin
(především RNA). Jejich obsah je v korelaci s obsahem bílkovin a pohybuje
se v rozmezí 8 - 15 % sušiny. Maximální denní dávka pro člověka je 2 g
nukleových kyselin, což odpovídá asi 20 g mikrobiální biomasy
Substráty pro přípravu SCP
27
ČOV Modřice (Brno)
513 000 EO
Na biologickém čištění v aerobní
části se podílí přibližně 200 000 kg
mikroorganizmů
Biologické čištění odpadních vod
Při anaerobní stabilizaci kalu
45 000 kg mikroorganizmů
Schéma čistírny odpadních vod Modřice
28
Anoxický reaktor
Oxický reaktor
Odpadní voda
Vyčištěná voda
Přebytečná biomasaNitrifikační mikrorganizmy
Nitrospira, Nitrosoccus, Nitrosomonas, NH4 NO2
Nitrobacter
sp. NH4 NO2
- NO3
Denitrifikační
mikrorganizmy NO-
2, NO-
3 N2
Heterotrofní:
Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus,
Achromobakter, Hydrogenomonas aj.
Chemolitotrofní:
Thiobacillus, Nitrosomonas aj.
Biologické odstraňování dusíku
Tvorba vloček v aktivovaném kalu
Vločky představují spojení malých částic do velkých partikulí obsahující nejrůznější látky zbytky
buněk, živé buňky a biopolymery. Jedním z pozitivních aspektů bakterií tvořící vločky je, že snadno
sedimentují a snižují náklady na odvodňování. Negativním aspektem je vysoký podíl “obalových“
polysacharidů. V těchto případech je sedimentace značně obtížná.
Vločka mladého kalu Vločka starého kalu, začíná od středu “černat“
29
Kompostování
• Kompostování je aerobní proces přeměny organických
materiálů vlivem mikrobiální aktivity na kompost
• Kompost je organický prostředek pro zlepšení půdy
obsahující stabilizované organické látky a rostlinné živiny
získaný řízeným biologickým rozkladem směsi sestávající
zejména z rostlinných zbytků a mající deklarované kvalitativní
znaky
Kompostování
Co se děje v kompostu?
Pokud je vlhkost a teplota optimální, organická hmota se začne rychle
rozkládat. Na rozkladu se podílí živé organizmy - houby,
aktinomycety, řasy, kvasinky, bakterie, roztoči, chvostoskoci a mnoho
dalších drobných živočichů.
• Souběžně s rozkladem se zároveň vytvářejí nové sloučeniny.
Organický odpad se přeměňuje na komplexní látky trvalého humusu.
• Technologie kompostování
- zakládky
- boxy/reaktory
- vaky
30
Kompostování
Kompostování v zakládkách
Vnější vrstva (ochlazovaná, silně
provzdušněná, vysýchající)
Chráněná vrstva
(dobře provzdušněná)
Redukční zóna
(zrání téměř
neprobíhá)
40-60 °C
30-40 °C
10-30 °C
Pásové zakládky jsou pravidelně překopávány kvůli zvýšení
poréznosti hromady a homogenity kompostovaných
materiálů, zabezpečení dobrého provzdušňování a vhodné
vlhkosti. Optimální vlhkost v zakládce by měla být 50 - 60 %.
Při obsahu vody nad 60 % se navozují anaerobní podmínky.
Kompostování
Boxy Vaky
Uzavřené kompostovací boxy s nuceným
přívodem/odvodem vzduchu, bez koncovky
pro čištění zápachů, umístěny v hale.
Kompostovací vak je vak určený ke kompostování
biologicky lehce rozložitelných odpadů, vybavený
aerací a dalším příslušenstvím nezbytným pro
kontrolu a řízení kompostovacího procesu.
31
Biologické loužení kovů z rud
Biohydrometalurgie
• využití mikroorganizmů při získávání kovů,
• využívá se v případech, kdy obsah kovu v rudě je velice nízký
(v rozmezí asi 0,1 - 0,5 % kovu), jedná se většinou o tzv.
nebilanční rudy nebo hlušinu
• tímto technologickým postupem se nejprve získávala měď
a uran, později i další kovy
Získávání mědi
Kyslík v aerované
nádrži
Pumpa
Měď pro průmyslové
využití
Oxidační nádrž:
T. ferrooxidans
oxiduje FeSO4 na
Fe3+ + H2SO4 (kyselý
loužící roztok)
Loužení: Fe3+
v kyselém
loužícím
roztoku
oxiduje
nerozpustný
Cu2S (Cu+) na
rozpustný
CuSO4 (Cu2+)
Roztok
bohatý na
CuSO4
Fe0 (zbytky kovového železa)
CuSO4 precipituje na měď
(Cu0); Fe3+ je přeměněno na
FeSO4 (Fe2+)“Čistý roztok“ bez
mědi; železo jako
FeSO4
Rozstřikování
Loužení vložené rudy
s Cu2S
32
Bioinsekticidy
Bacillus thuringiensis
• Bacillus thuringiensis (Bt) je G+ tyčka vyskytující se běžně v půdě
• Popsaná v roce 1901 japoncem Shigetane Ishiwatari
• V roce 1976, Robert A. Zakharyan prokázal přítomnost plazmidu,
který se podílí na řízení sporulace a produkce „krystalů“ (toxiny
kódované cry geny a prasporální inkluze)
• 1997 - využití jako bioinsekticidy proti moučnému červu
• „cry toxiny“ mají relativně
velkou specifitu působení
na jednotlivé druhy řádů
Lepidoptera
Diptera
Hymenoptera
Nematoda