Wykład I

Mikrobiologia - (łac.micros - mały, bios - życie, logos - nauka) zajmuje się morfologią, budową komórek, fizjologią wewnątrzkomórkową, przemianami życiowymi, warunkami rozwoju.

Grzyby kapeluszowate też zaliczamy do mikroorganizmów.

Nie wszystkie mikroskopijne organizmy są mikroorganizmami.

Jak działają mikroorganizmy na środowisko?
Są to organizmy jednokomórkowe, ale przemiany maja podobne do organizmów wyższych.

MIEJSCE DROBNOUSTROJÓW W PRZYRODZIE

Różnice między grupami organizmów:

PODZIAŁ ORGANIZMÓW (HACKEL, 1866r.)

INFORMACJA O WYSTĘPOWANIU CHORÓB I INNYCH ZJAWISK

Negatywne i pozytywne skutki działania mikroorganizmów:

Mało jest chemicznych przyczyn psucia się żywności, głównie przez mikroorganizmy.

Obserwowano:

Rozwój optyki

JEDNOSTKI MIARY W MIKROBIOLOGII

TWÓRCY MIKROBIOLOGII:

LUDWIG PASTEUR (1822 - 1895) - Francuz, chemik z wykształcenia (wykrył izomerię kwasów organicznych). Stworzył metodykę badań mikrobiologii. Opracował: metodę:

- wyjaławiania (pasteryzacja),

- czystych kultur (zbiór komórek jednego gatunku),

- zwalczania wąglika i szczepionkę przeciw wściekliźnie.

Wprowadził: sterylizację szkła w suszarkach i sterylizację pod ciśnieniem, nowe pożywki (podłoże do hodowli mikroorganizmów). Wykrył przyczynę ginięcia jedwabnika oraz zaprzeczył teorii samorództwa.

ROBERT KOCH (1843 - 1910) - wykrył prątki gruźlicy oraz wyizolował przecinkowca cholery. Zastosował żelatynę i agarową pożywkę. W 1905 otrzymał nagrodę Nobla.

JÓZEF LISTER (1827 - 1912) - odkażanie. Udowodnił, że należy odkażać rany.

DYMITR IWANOWSKI (1864 - 1920) - 1892 wirusy, wykrył wirusa.

FERDYNAND COHN - wykrył przetrwalniki, uczeń Pasteura.

JOHN TYNDALL (1820 - 1893) - tyndalizacja, czyli wyjaławianie podłoża.

GRAM - barwienie (ściany komórkowe bakterii barwi).

SERGIUSZ WINOGRADSKI (1856 - 1955)

ILIA MIECZNIKOW (1845 - 1916) - wpływ drobnoustrojów na organizm człowieka.

ALEKSANDER FLEMING - 13.02.1929 Wykład w Medicine Research Club, wykrył antybiotyki - penicylina. Zjawisko antybiozy czyli przeciwdziałania między różnymi mikroorganizmami.

Lata 50 XX wieku to odkrycie DNA i RNA

POLACY:

LEON CIEŃKOWSKI (1822 - 1887) - cukrownictwo, gęstnienie syropów, psucie się.

ADAM PRAŻMOWSKI (1853 - 1920) - bakterie brodawkowe w glebie.

Inni:

SYNIEWSKI - fermentacja

CHRZĄSZCZ - gorzelnictwo

JOSZT - enzymy w przemyśle spożywczym

WACŁAW DĄBROWSKI - SGGW - twórca katedry mikrobiologii na akademii rolniczej. Jego uczniem był EUGENIUSZ PIJANOWSKI.

MAJCHRZAK

PODZIAŁ MIKROBIOLOGII:

WIELKOŚĆ KOMÓREK (śr nie widoczne w mikroskopie świetlnym 10 - 50nm):

WIRUSY 10 - 50nm

BAKTERIE KULISTE ჆0.5-1.0ၭm

PAŁECZKI ჆0.5-1.0ၭm, dł. 1 - 4ၭm

BAKTERIE SIARKOWE dł. do 100ၭm

DROŻDŻE 1 - 10ၭm

CIĘŻAR KOMÓRKI BAKTERII 5x10^-13 - 5x10^-12 g

CIĘŻAR KOMÓRKI DROŻDŻY 2x10^-11 - 5x10^-11 g

Populacje drobnoustrojów:

1g gleby 500x10⁶ komórek 0.5 miliarda

1g obornika 200x10⁶ komórek

1g sera 500x10⁶ komórek

1g masła 60x10⁶ komórek

1cm³ mleka zsiadłego 1000x10⁶ komórek miliard

1cm³ zalewy kiszonych ogórków 5000x10⁶ komórek

1cm³ zacieru gorzelniczego 350x10⁶ komórek

Stosunek powierzchni do objętości komórek drobnoustrojów:

Objętość komórki o średnicy ၪ=1ၭm

4/3ၰr³ = 4/3 x 3.141592 x 0.5³ = 0.52ၭm³

Objętość 1 MLD komórek 0.00052cm³

W jednym litrze mleka zsiadłego 1000mld komórek = 0.52cm³

Powierzchnia komórki o średnicy ၪ=1ၭm

4ၰr² = 4 x 3.14 x 0.5² = 3.14ၭm²

Powierzchnia 1mld komórek 31.4cm²

W jednym litrze mleka zsiadłego 1000mld komórek = 31400cm²

Gleba - 1ha (do głębokości 30cm) zawiera 3t drobnoustrojów o całkowitej powierzchni 1800ha.

Duży stosunek powierzchni do objętości dlatego duża efektywność działania.

INTENSYWNOŚĆ ODDYCHANIA ORGANIZMU

Ilość wydzielonego CO₂.

Mg/1g żywej masy/24 godz.

Korzeń jęczmienia 70

Korzeń pszenicy 240

Azotobacter 1270

Bacillus subtilis 13000 (największy stosunek powierzchni do objętości)

ROZMNAŻANIE:

Czas podziału (generacji):

1) Drobnoustroje rozmnażają się w tempie 2ⁿ (po podziale 2x więcej). Możliwość nagromadzenia biomasy (białka) w szybkim tempie.

2) Jednokomórkowość - łatwość adaptacji do warunków środowiska, łatwo adoptują się do różnych źródeł energii np. glukoza, mleko (laktoza), gdyż wytwarzają enzymy pozwalające się przystosować - musi to być zapisane w kodzie genetycznym.

3) możliwość przyswajania różnych form węgla

Drobnoustroje - CO₂ - drobnoustroje barwne, węgiel organiczny

C - z węglowodorów (aromatyczne i alifatyczne)

Azot - w postaci N₂ nieprzyswajalny przez rośliny i zwierzęta, musi być sprowadzony do formy amonowej.

4) stosunek do temperatury - nie giną w temperaturze zera bezwzględnego (-273⁰C), niektóre rozmnażają się w temperaturze 100⁰C, niektóre przeżywają 120⁰C, żółtaczka odkażanie - 135⁰C.

Zdolność do wytwarzania przetrwalników, które pozwalają przetrwać w ekstremalnych warunkach.

5) zdolność do mineralizacji substancji organicznych w nieorganiczne, najważniejsza przyrodnicza cecha mikroorganizmów.

6) wszechobecność mikroorganizmów w różnych środowiskach. W zdrowych tkankach nie powinno być mikroorganizmów. Drobnoustroi nie ma u nowo narodzonych zwierząt i ludzi jeżeli matka była zdrowa.

GNOTOBIOLOGIA - nauka o życiu bez wpływu innych organizmów na ten badany organizm.

1cm³ śliny - 150mln drobnoustrojów

Drobnoustroje w jelicie grubym i cienkim 2-3 mld - 1cm³

Nie ma w pęcherzu i moczu (najbardziej jałowy płyn u zdrowego człowieka).

7) łatwość przenoszenia się.

Mikroorganizmy mogą zużywać gaz, ropę naftową jako źródła węgla aromatycznego.

W środowisku występują bakterie brodawkowe, które syntetyzują związki azotowe.

Odporność na pH - bakterie siarkowe pH = 0.2 - nie giną i są w stanie się rozmnażać. Również pH = 10 inne bakterie tolerują. Ale bakterie zdecydowanie wolą pH kwasowe.

Wytwarzają formy przetrwalne - przetrwalniki - odporne na kwasowe pH, temp.

WPŁYW DROBNOUSTROJÓW NA OTOCZENIE:

Stosunek powierzchni (ၭ²) do objętości (ၭ³) różnych komórek:

Bakteriofagi 66

Bakterie postaci L 19

Ziarniaki 6

Komórka wątroby 0,125

Czynniki wpływające na wzrost drobnoustrojów:

FIZYCZNE:

BIOLOGICZNE:

CHEMICZNE:

Temperatura

Temperatura działa na mikroorganizmy skutecznie i natychmiast. Reguła van Hoffa mówi, że zmiana temperatury o 10Ⴐ zmniejsza lub zwiększa reakcje chemiczne 2 -3 krotnie. Katalizatory w organizmach żywych to enzymy.

W niskiej temperaturze kiedy woda zmienia stan skupienia reakcje w organizmach żywych przestają zachodzić. W wysokiej temperaturze następuje denaturacja białka ~ 40⁰.

Temperatury kardynalne wzrostu drobnoustrojów (0⁰C) :

Temperatury kardynalne wzrostu drobnoustrojów (ႰC)

Drobnoustroje:

Psychotrofy są mikroorganizmami, które bez względu na optymalną temperaturę wzrostu wykazują wzrost w niskich temperaturach.

Najniższa temperatura rozmnażania -34ႰC (drożdże).

Bakterie - 20ႰC.

Minimalna temperatura wzrostu:

Gronkowce - od 6-7ႰC

Laseczka jadu kiełbasianego - 3-4ႰC.

LIOFILIZACJA - mrożenie, odparowywanie, aby zachować komórki w stanie jak najmniej zmienionym. Dla drobnoustrojów powolne zamrażanie jest niekorzystne, niszczy ich strukturę, korzystniejsze jest gwałtowne.

Są to organizmy, które w temperaturze od 0ႰC do 7ႰC dają kolonie w ciągu 7 dni. Lubią zimno. Rozwijają się głównie na mięsie, rybach.

Szczepy psychrofilne w rodzajach:

MEZOFILE - większość mikroorganizmów, które nas otaczają. Wszystkie chorobotwórcze to mezofile.

TERMOFILE - gorące źródła, w fermentujących kompostach, w zagrzewającym się oborniku. Termofile rozmnażają się bardzo szybko, czasem następuje samowyjałowienie, gdy wykorzystają „pożywienie”.

Szczepy termofilne w rodzajach:

Drobnoustroje ciepłooporne - są szczególnie odporne na ciepło (nieskuteczna pasteryzacja). Robertson, Eckfort 1927 definicja. Optymalna temperatura 27ႰC - 30ႰC, 90% przeżywa w 63ႰC przez 30 minut.

STERYLIZACJA - (wyjałowienie) pozbawienie materiału lub sprzętów wszystkich (wegetatywnych lub przetrwalników) form drobnoustrojów.

Podatność drobnoustrojów na temperaturę:

TDP - thermal death point - dla drożdży 10min 57,5ႰC

TDT - thermal death time

D - decimal reduction time

Np. TDT Neisseria gonorrhoeae - w różnych temperaturach (rzeżączka)

50ႰC - kilka minut (ginie)

42ႰC - 5 godzin

41ႰC - 11 godzin

40ႰC - >30 godzin

PODŁOŻE:

Frost Mc Campbell:

a - albumina

TDP E. coli (10 min) temp wyjałowienia:

Im większa zawartość cukru tym działanie temperatury jest dłuższe. Zagęszczone substancje są bardziej odporne na drobnoustroje i trudniej wyjałowić.

Im więcej drobnoustrojów w organizmie tym odporniejsze są na temperaturę.

FITONCYDY - substancje zawarte w roślinach, czosnek, cebula, hamujące rozwój drobnoustrojów. Opóźniają działanie temperatury.

Wpływ liczby przetrwalników CLOSTRIDIUM BOTULINUM na TPT w 100ႰC

Drobnoustroje najszybciej giną gdy kultura jest młoda, szybko się mnoży.

Wiek organizmu nie jest bez znaczenia. Mikroorganizmy wytwarzają otoczki śluzowe, które maja działanie ochronne np. przed temperaturą.

Im bardziej kwaśne tym łatwiej się wyjaławia.

Im wyższa temperatura tym łatwiej się wyjaławia, łatwiej zniszczyć.

Im bardziej uwodniona komórka tym łatwiej zniszczyć.

Wpływ wysokości temperatur na TDT przetrwalników CLOSTRIDIUM BOTULINUM (60x10⁹ przetrwalników., pH 7)

Wpływ ma także kwasowość środowiska.

Wpływ pH na D przetrwalników CLOSTRIDIUM BOTULINUM przy 120ႰC

WYJAŁAWIANIE:

WYJAŁAWIANIE TERMICZNE:

Nasycona para - przy skraplaniu wydziela ciepło kondensacji, nawilża podwyższając skuteczność.

Kurek odpowietrzający - aby cała atmosfera wypełniona parą, bez worków powietrznych będących dobrymi izolatorami ciepła.

Zależność temperatury pary nasyconej od ciśnienia:

Para musi być nasycona (nie para sucha!), nie może być przegrzana. Temperatura spada, gdy para się skupia.

Rodzaje pasteryzacji:

Stosujemy: podłoże, materiał który w warunkach sterylizacji straciłby swoje właściwości np. wrażliwe witaminy. Podłoże żelatynowe, bo traci w wysokiej temperaturze właściwości żelujące.

Jałowość handlowa - nie zawsze konieczna aby produkt całkowicie wyjałowiony był trwały. Niektóre drobnoustroje w określonych warunkach tego produktu się nie rozwijają.

Ogórki czy kompot kwaśne więc bakterie gnilne tam się nie rozwijają.

Bakterie tlenowe w warunkach beztlenowych.0

Ciśnienie osmotyczne:

Każda substancja rozpuszczalna w H₂O wywołuje ciśnienie osmotyczne, zależy ono od liczby cząsteczek. Jednomolowe substancje dają to samo ciśnienie osmotyczne.

Roztwór:

Komórka środowisko zewn.

A → H₂O

a b

a > b

np. 3 atm 0 atm

H₂O

a b

a = b

H₂O

a b

a < b

np. 3 atm 20 atm

Zdolność do wytwarzania ciśnienia molowego:

342 / 58.5 = 5.84 6.1 atm / 0.7 atm = 8.7

Ciśnienie osmotyczne Ⴙ masa cząsteczkowa.

Sól hydrolizuje na jony w wodzie i dlatego daje podwyższone ciśnienie osmotyczne.

Drobnoustroje osmofilne - lubią wysokie stężenia cukrów.

Osmofile - Saccharomyces rouxii, znoszą, rozmnażają się w wysokich temperaturach.

Cukrooporne - nie giną przy wysokim stężeniu cukru i ujawniają się po rozcieńczeniu.

Halofile - roztwory solne, odporne na wysokie stężenie NaCl. Przykłady:

Bacillus subtilis 15% NaCl,

bakterie z ryb morskich 25% NaCl,

Penicillium glaucum 19% NaCl,

Oospora nikitinskii - nasycony roztwór NaCl 34%.

Rozpuszczalność soli mniejsza od cukru ale daje większe ciśnienie osmotyczne.

Solooporne - nie rozmnażają się w dużych stężeniach soli ale czekają na sprzyjające warunki.

pH nie wpływa na działanie cisnienia osmotycznego.

Ciśnienie mechaniczne - drobnoustroje bardzo odporne na wysokie ciśnienie mechaniczne do 600atm, przypadki do 6000atm (ziarniaki Salmonella). Występują na dużych głębokościach w rowach oceanicznych.

Wysokie ciśnienie mechaniczne można stosować do utrwalania żywności. Żywność tak a nie traci swoich właściwości. Taka żywność jest bardzo droga. Jest to metoda ciśnieniowa w naczyniach elastycznych.

Dźwięki i ultradźwięki

Za pomocą ultradźwięków można niszczyć drobnoustroje. Przy pomocy ultradźwięków rozrywa się komórki - ścianę komórkową bez naruszenia struktur wewnętrznych.

Wewnątrz komórki mikroorganizmów rozpuszczone gazy, które pod wpływem ultradźwięków łączą się w bąbelki, podwyższają ciśnienie (kawitacja!!!).

Fale mają bardzo szeroki zakres.

PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE

Promieniowanie stosujemy do wyjaławiania pomieszczeń, płynów (bonaqua).

Adsorpcja - zmiany w kwasie nukleinowym i niszczenie białka, promieniowanie na komórkach co może niszczyć komórki, część może przeżyć ale ze zmienioną formą kwasu nukleinowego (zmienione właściwości) - mutant.

Detergenty - substancje powierzchniowo czynne, zdolność do napięcia powierzchniowego wody i woda wnika we wszystkie szczeliny. Właściwości bakteriobójcze uszkodzenie błony cytoplazmatycznej, odpowiedzialne za wyminę substancji odżywczych i denaturację białek wewnątrz komórki.

Detergenty kwarcowe, zasadowe lub obojętne.

Wysuszanie - prądek gruźlicy odporny na wysuszanie. Azotobacter żyje w glebie.

Czynniki fizyczne:

Metoda liofilizacji -wysuszanie ze stanu zamrożenia, gwałtownie do -80ႰC (aby nie narastały duże kryształy lodu, lecz małe nie niszczące struktury komórki), następnie wyparowanie (pod próżnią).

Produkt liofilny - lubiący rozpuszczalniki, chłonie tyle wody ile mu odebrano.

Wpływ czynników chemicznych na proces utrwalania żywności:

MINIMALNE pH WZROSTU

pH może wpływać na zmiany metabolizmu komórki w organizmie.

WPŁYW pH NA METABOLIZM:

Drożdże z cukru tworzą w środowisku kwaśnym alkohol etylowy, a w środowisku alkalicznym glicerynę.

Bakterie masłowe (nie występują w maśle, wytwarzają kwas masłowy z cukrów) w środowisku kwaśnym tworzą aceton, butanol, a w środowisku alkalicznym kwas masłowy.

POTENCJAL OKSYDOREDUKCYJNY - (stopień utlenienia środowiska) zdolność przyjmowania lub oddawania elektronów przez układ, wyrażane w woltach lub miliwoltach

Potencjał oksydoredukcyjny - Eh (V).

Wpływ elektrolitów (rożnych soli) na drobnoustroje:

Szereg wzrastającej biologicznej aktywności jonów od najmniej szkodliwych:

Oligodynamiczne działanie metali - niewielkie ilości metalu mogą ulec rozpuszczeniu i niszczyć mikroorganizmy.

ALKOHOLE

BARWNIKI:

Współczynnik aktywności środka odkażającego (dezynfekcja):

K = 1/t * log b/b_k

t - czas działania

b - początkowa liczba bakterii

b_t - liczba bakterii po czasie t działania środka

Na skuteczność środków odkażających ma wpływ:

Wpływ metabolitów:

Obce i własne metabolity:

Czynniki biologiczne:

LIZOZYN - w śluzach, w ślinie, białku jajka, śluzówce, łzach, działanie bakteriostatyczne.

Autoliza - rozpad komórki pod wpływem własnych enzymów. Obumieranie komórki i wydostawanie się szkodliwych substancji na zewnątrz.

Wzajemnie oddziaływania na siebie mikroorganizmów:

Gdy osobniki występują w danym środowisku mają różne wymagania, różne źródła pokarmu. Gdy zasoby pokarmowe są bardzo obfite i wystarczy ich dla wszystkich brak jest wtedy konkurencji lub w środowisku jest niewiele osobników.

Metabioza - następstwo pokoleń, po jednych bakteriach drugie.

endosymbioza - człowiek, drobnoustroje w przewodzie pokarmowym trawią to co niestrawione, wytwarzają witaminy których symbionty nie wytwarzają i zajmują miejsce drobnoustrojów chorobotwórczych dla których są konkurencją.

Zwierzęta przeżuwające - kultury mikroorganizmów w żołądku trawiące pokarm.

egzosymbioza - organizm zwierzęcy w symbiozie z mikroorganizmem żyjącym na zewnątrz. Np. mrówki z rodzaju ATTA w symbiozie z grzybami tną liście tworząc stertę kompostową zaszczepioną grzybami, rosnące grzyby są pokarmem. Mrówki przenoszą zarodniki do nowego gniazda.

Drożdże killerowe - niszczą inne drożdże z innych szczepów.

Roślina<-grzyby<-bakterie<-wirusy, Bdallovibro

Np. grzyby pożerają nicienie.

ODZIAŁYWANIE DROBNOUSTROJÓW NA OTOCZENIE:

Promieniowanie:

Oddychanie tlenowe - 1/3 energii jest rozproszona. Gdy układ nieizolowany to ciepło jest rozproszone, gdy układ jest izolowany to temperatura się podnosi, np. zbiornik sterta obornika (powolne przenikanie ciepła), fermentująca brzeczka winiarska (gdy temperatura wzrośnie za bardzo to następuje zahamowanie reakcji, chłodzenie droższe niż ogrzewanie!!!).

POWSTAWANIE POKŁADÓW SIARKI

CaSO₄ → H₂S

Redukcja + Desulfovibrio

H₂S →S⁰

Utlenianie + nad strzalką- Thiobacillus thiopaus, Beggiatoa

Dzięki bakteriom powstały złoża saletry sodowej w Chile w wyniku mineralizacji odchodów ptasich.

Powstanie humusu - wytwórcze działanie drobnoustrojów.

Wytwarzanie gruzełkowatości gleby porowatość między gruzełakami i gleba się napowietrza.

W glebie promieniowce wytwarzają śluz zapobiegający zbijaniu się gleby w jednolita masę. Im lepiej gleba jest napowietrzona tym lepiej dla roślin.

Torf - właściwości konserwujące dzięki związkom fenolowym. Sprasowany wielokrotnie to węgiel.

Ropa naftowa - utworzona przez mikroorganizmy.

Główny pierwiastek organizmów żywych to węgiel C ၾ 50%

Krążenie C:

4,0x10⁹ t NO₂

9,2x10¹¹ t związków N

Azot w wolnej postaci nie może być wykorzystywany przez człowieka, zwierzęta, rośliny. Musi być przekształcony w stan związków chemicznych.

BAKTERIE NIESYMBIOTYCZNE: (WIĄŻĄCE AZOT)

Beztlenowce:

Clostridium pasteurianus

Clostridium saccharobutyricum

Clostridium felsineum