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 Nediferencované dělení buněk růstových zónách růst bakteriální populace o „růstová křivka bakterií“ o nárůst počtu buněk v množící se populaci
Vsádková kultivace o uzavřený systém o prostředí je modifikováno výhradně přítomnými mikroorganizmy Růstová křivka bakterií
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Lag fáze Fyziologické mládí Exponenciální fáze Zpomalený růst Stacionární fáze 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 o o o o o
počet živých buněk je konstantní počet umírajících = počtu vzniklých doba zdvojení = 0 spotřebovávají se živiny hromadění metabolitů produkce sekundárních metabolitů
Fáze odumírání o o o o
počet buněk se snižuje záporná doba zdvojení živiny spotřebovány 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
2n
Počet bakterií obecně: x = x0 . 2n
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 Streptococcus thermophilus Escherichia coli Bacillus subtilis Clostridium botulinum Mycobacterium tuberculosis Saccharomyces cerevisiae Prvoci
Generační doba (h) 0,20 0,35 0,43 0,58 12 2 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 – lnx0)/(t – t0)
Mikroorganismus
Streptococcus thermophilus Escherichia coli Bacillus subtilis Clostridium botulinum Mycobacterium tuberculosis Saccharomyces cerevisiae Prvoci
Spec. Růst. rychlost (h-1) 3,47 1,98 1,61 1,19 0,06 0,35 0,07
Metody měření růstu bakterií
Kultivační Turbidimetrie
Konduktometrie
Kontinuální kultivace o otevřený systém o regulace parametrů z vnějšku - množství živin - množství metabolitů - množství buněk o udržení buněk v logaritmické fázi
chemostat o regulace chemických parametrů o snaha o udržení konstantního chemického složení
turbidostat o regulace množství buněk o 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 o o o o o
psychrofilové - optimum cca 15 °C (Pseudomonas) mezofilové – optimum 20-40 °C (E. coli, Micrococcus) termofilové – optimum 45-70 °C (Lactobacillus) hypertermofilové – 70-90°C (sirné bakterie) teplota pod a mírně nad optimum – statický účinek 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 O2, aerobní respirace o Bacillus, Penicillium Obligátně anaerobní o O2 nevyžadují nebo je pro ně toxický o fermentace, anaerobní respirace o Clostridium, Bacteroides Fakultativně anaerobní o mohou žít jak v přítomnosti tak nepřítomnosti O2 o fermentace – bakterie mléčného kvašení, kyslík je inertní plyn o proměnlivý metabolizmus - +O2 – aerobní respirace, -O2 fermentace, Saccharomyces Mikroaerofilní o nižší parciální tlak kyslíku než je v atmosféře o Pseudomonas, Lactobacillus
Metabolizmus bakterií katabolizmus – rozkladné procesy anabolizmus – biosyntézy ATP biosyntézy transport látek pohyb teplo bioluminiscence
fermentace respirace P
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, CO2 = Kvašení (anaerobní podmínky, 2 ATP) Pyruvát → acetyl CoA → Krebsův cyklus →
Dýchací řetězec → CO2 , H2O = Dýchání (aerobní podmínky, 38 ATP)
ETANOLOVÉ KVAŠENÍ C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2
(2ATP)
anaerobní, mezofilní mono- a disacharidy (polysacharidy až po hydrolýze) anorganický N (NH4+) nebo organický kvasinky (Saccharomyces, Candida), některé bakterie (Zymomonas) produkce alkoholu pekařství biomasa kvasinek – zdroj vitamínů a bílkovin
MLÉČNÉ KVAŠENÍ CH3COCOOH + H+
→
CH3CHOHCOOH
homofermentativní – hlavní produkt je k. mléčná (> 90 %) heterofermentativní – asi 50 % k. mléčné + k. octová + CO2, 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 konečné produkty kyselina octová a mléčná v poměru 3:2 o význam: mléčné kysané výrobky (probiotika) o součást střevní mikroflóry o
MÁSELNÉ KVAŠENÍ 4 C6H12O6 → 3CH3CH2CH2COOH + CH3COOH + 8CO2 + 8H2 pyruvát → acetyl-CoA + CO2 + H2 butyrát + acetát + butanol + aceton + isopropanol
dominantní pro přeměny C-látek v přírodě anaerobní, mezofilní mono- až polysacharidy, pektin, celulóza,.... organický N, NH4+, N2 Clostridium – G+ anaerobní sporulující tyčinka
Význam: o typicky půdní bakterie, nejdůležitější fermentace v půdě o anaerobní fixace N2 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 + CO2 + H2O laktát → pyruvát → propionát + acetát + CO2 + H2O
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 - H2O, (CO2), organická látka o nepravá kvašení
Octové kvašení CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O 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
Etanol
Pivo, víno ,palivo
Melasa, mošt
Aceton, butanol
Chemický průmysl
Melasa
Glycerol
Farmacie, průmysl
Melasa
Kyselina citronová
Potravinářský průmysl
Melasa
Kyselina mléčná Kyselina propionová
Výchozí materiál (surovina)
Používaný Mikroorganismus
Saccharomyces cerevisiae Jogurt, kysané Mléko, mouka, Lactobacillus, zelí, chléb, salám zelí, maso Streptococcus Ementál Kyselina mléčná Propionibacterium Clostridium acetobutylicum Saccharomyces cerevisiae Aspergillus
KATABOLIZMUS LIPIDŮ o o o o
zdroj energie hydrolýza – glycerol + mastné kyselin fosforilace glycerolu – glykolýza 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
