MIKROBIOLÓGIA KÖRNYEZETMÉRNÖK HALLGATÓK RÉSZÉRE

MIKROBIOLÓGIA KÖRNYEZETMÉRNÖK HALLGATÓK RÉSZÉRE

DR. ALEXAY ZOLTÁN

GYŐR 2004.

Előszó A környezetvédelem az egyik legösszetettebb tudást igénylő szakma, ahol a mindennapi munkához egyaránt szükség lehet a matematikai, fizikai, kémiai, biológiai, hidrológiai, geológiai, légkörtani ismeretekre. A képzés rövidre szabott ideje alatt nem lehet más a cél, mint a fenti tudományok alapjainak az áttekintése, részletesen foglalkozni egy-egy szakterülettel nem lehet, de talán nincs is rá szükség, hiszen a környezetmérnök hallgatók nem matematikusok, biológusok, stb. lesznek. A leendő környezetvédelmi szakemberek munkájához ezeknek a tudományoknak a hallgatása során – remélhetőn – kialakuló „minden mindennel összefügg” szemléletre van szükség, hogy feladataikat kellő körültekintéssel tudják elvégezni. A választható tárgyak az alapképzéshez kapcsolódva néhány olyan tudományterületet ismertetnek, amelyekre a munkájuk alatt szükségük lehet és az itt szerzett többletismeret segíthet az anyagi világ bonyolult rendszerében való jobb eligazodásban. A mikrobiológiában tanultakat különösen jól hasznosíthatják a talaj- és vízvédelem területén, éppen emiatt a tárgy programjának összeállításakor az általános- és leíró mikrobiológia áttekintése után elsősorban a talaj és a vizek mikrobiológiával foglalkozunk. A jegyzet megírásakor nem törekedhettem teljességre, de ez nem is feladata a környezetmérnök képzésnek. Célom az volt, hogy azokat a legszükségesebb alapokat ismerjék meg, amelyek áttekintésére a rendelkezésre álló rövid idő lehetőséget ad.

2

A mikrobiológia tárgya, felosztása A mikrobiológia tárgya a csak mikroszkóppal látható élőlények mikroorganizmusok felépítésének, életműködésének vizsgálata. A tudományterület a biológia része, akkor lehetett önálló diszciplína, amikor a technikai fejlődés lehetővé tette a mikroszkópikus és szubmikroszkópikus méretek tanulmányozását. Az elnevezés PASTEUR-tól származik, a mikrosz → kicsi, biosz → élet és logosz → beszélgetés, gondolkodás görög szavak összevonásából alakult ki. A mikroorganizmusok a hagyományos rendszertani értelemben nem egységes csoport, az ide besorolt élőlényeknek csupán egy közös tulajdonsága van, az, hogy szabad szemmel nem vagy alig láthatók. Egyes csoportjaikkal más és más tudományterületek foglalkoznak. A vírusokat vizsgáló terület a virológia, a botanikához tartozik éppúgy, mint a baktériumokat kutató bakteriológia, a mikroszkópikus gombákkal foglalkozó mykológia és az algák apró fajait vizsgáló algológia. Az egysejtű állatok alak- és élettanát a protistológia vagy protozoológia kutatja. Az élővilág olyan felosztását is ismerjük, amely a mikroorganizmusokat külön csoportnak tekinti a növények, gombák és állatok mellett. A mikrobiológiai kutatásokban a leíró módszer nem olyan jelentős, mint a makrovilág vizsgálatánál, itt a kísérleti módszernek lényegesen nagyobb a jelentősége. A mikróbák vizsgálata olyan alapkérdések megválaszolásában játszott fontos szerepet, mint az élet keletkezése, az anyag körforgása, stb. Ez utóbbi révén a mikroorganizmusoknak meghatározó a működése a magasabbrendű élet kialakulásában és létezésében. A mikrobák meghatározóak az ember életében is. Negatív hatást jelentenek a növényi-, állatiés emberi kórokozók, az ellenük való védekezés (megelőzés, gyógykezelés) óriási kiadásokkal jár. (Gondoljanak csak egy influenzajárványra, a kiesett munkaidő értéke, az egészségügyi költségek, a szövődmények miatti kezelések milyen összegre rúgnak, hatalmas károkat okoznak). A mikrobáktól való mentesítés a konzerválás, a vizek tisztaságának megőrzése terén jelent komoly kihívást, éppúgy, mint a szerves anyagokat (fa, film, papír, textíliák, stb.) károsító baktériumok, gombák elleni védekezés. A mikroorganizmusoknak pozitív szerepe van a talaj termőképességének kialakításában és fenntartásában, az élvezeti cikkek előállításában (alkoholos, tejsavas, ecetsavas erjedés, dohányfermentáció, stb.), a gyógyszergyártásban (B, D, K vitamin képzés, antibiotikumok előállítása, szérumgyártás, stb.) és az élelmiszeriparban (sajtgyártás, konzerválás). A mikrobiológia felosztása gyakorlati szempontok alapján a következő: mezőgazdasági ipari orvosi ______________ = mikrobiológia Az orvosi mikrobiológia speciális területei a mikrobiológiai diagnosztika (a betegséget okozó mikroszervezet meghatározása), az oki gyógykezelés (a hatásos gyógyszerek alkalmazása, gyógyszerkutatás) a prevenciós eljárások (a fertőtlenítés módszerei) és az immunizálás (immunanyagok használata, immunbiológiai kutatások).

3

A mikrobiológia története A mikrobiológia tudományának kialakulásában – mint már említettem – a technikai fejlődés volt a meghatározó. Már az ókorban is előállítottak olyan termékeket, amelyek a mikrobák működésének az eredményei, tehát bizonyos területeken a gyakorlat itt i8s megelőzte az elméleti ismereteket éppúgy, mint pl. a genetika esetében. A babiloniak már tudtak sört készíteni, a görögöknél, rómaiaknál fejlett volt a borászat anélkül, hogy ismerték volna az élesztőgombákat, stb. A mikroorganizmusok okozta fertőző betegségek évszázadokon keresztül rettegésben tartották az embereket, érthető, hogy elsősorban ezek okait és az ellenük való védekezés lehetőségeit próbálták kideríteni. Mezopotámiában úgy vélték, hogy a járványokat rossz szellemek okozzák, vagy természeti jelenségek – földrengés, üstökös megjelenése – idézik elő. Hippokratesz, az ókori orvostudomány egyik jeles képviselője felismerte, hogy a tüdőbaj ragályos, Arisztotelész ugyanezt állapította meg a pestisről. Galenus, akinek munkássága évszázadokig meghatározó volt az orvostudományban, úgy vélte, hogy a veszettség, a rüh, a szemgyulladás a bűzös lehelettől származó betegségek. Ez az elképzelés, a miazma elmélet sokáig tartotta magát és csak a XVI. Században születtek más magyarázatok. A középkorban Európában gyakoriak voltak a járványok, a városokban az elemi higiénia hiányában gyorsan terjedtek a fertőzések, a XIV. században csak a pestisnek mintegy 25 millió áldozata volt. A XVI. Században Girolano Fracastoro (1483-1553) már felismerte, hogy a járványok nem a romlott, bűzös levegő (miazma) révén, hanem élő ragályanyag (contagium vivum) által terjednek. 1546-ban írta: „A ragály tárgyról tárgyra terjedő fertőzés.” Amerika felfedezése után pl. az új kontinensre behurcolt himlőben 3,5 millió őslakos pusztult el – és sokáig lehetne folytatni a riasztó adatokat. Összegezve: az I. világháborúig a rendszeresen ismétlődő kolera, himlő és pestisjárványokban több ember pusztult el, mint a háborúkban, pedig ezeknek is sok millió áldozata volt. 1914-től győzött a korszerű emberirtási technika, ugyanakkor a kialakuló mikrobiológia eredményei révén egyre több fertőző betegséggel sikeresen fel lehetett venni a küzdelmet. A mikroorganizmusok megismerését a jó minőségű képet adó nagyítólencsék előállítása tette lehetővé. 1590 táján Hans és Zacharias Jansen lencséiket egy rézcső két végéhez illesztve ún. bolhanéző üvegecskéket (vitrum pulicarium) készítettek, s a csőbe helyezett bolhák felnagyított képével rémisztgették a vásárok közönségét. Egyesek szerint ez volt az első mikroszkóp – bár akkor még nem használták ezt az elnevezést, amelyet Bamberg 1624-ben adott a műszernek. Az egyre tökéletesebb lencsék és készülékek révén a XVII. században felfedezték az eddig ismeretlen világot, a mikroorganizmusokat illetve a sejtet. (A sejtkutatás és a mikrobiológia több érintkezési pont ellenére ma már külön tudományterület, a cytologia elsősorban a soksejtűek sejtjeinek vizsgálatára koncentrál.) Athanasius Kircher contagium elméletét. betegek vérében és felfedezni, amelyek a

(1602-1680) német jezsuita és polihisztor megerősítette Fracastoro Az 1656. évi római pestisjárvány során primitív mikroszkópjával a egyéb testváladékában apró, féregszerű lényeket (vermiculi) vélt betegséget terjesztik. (Ezek az általa látott lények nem pestis bacilusok

4

voltak, azokat csak a XIX. század végén sikerült meglátni.) A Kircher volt az első, aki orvosi célra használta a mikroszkópot. Robert Hooke (1635-1703) rendszeresen vizsgálódott egyszerű mikroszkópjával, parafa vékony metszetét tanulmányozva elsőként ő látta meg és írta le a sejtet. 1665-ben jelentette meg Mizrographia című munkáját, amelyben beszámol mikroszkópja felépítéséről és a vele szerzett tapasztalatairól. Marcello Malpighi 1661-ben többek között felfedezte a kapillárisokat, amely igazolta Harvey vérkörökről vallott nézetét. A kor érdekes alakja (Anthoni von Leenwenheck (1632-1723) a delfti posztókereskedő, aki teljesen amatőrként, kedvtelésből töltötte idejét mikroszkópok készítésével és vizsgálódással. Egyszerű készülékével 270x-es nagyítást is el tudott érni, ezekből a szerkezetetekből több mint kétszázat állított össze. Az ő nevéhez fűződik a foglepedékben lévő baktériumok felfedezése. A XVIII. Században egyre nagyobb gondot jelentett az összetett mikroszkópokhoz használt lencsék szférikus és kromatikus aberrációja (széli és színi torzítása), amely miatt a mikroszkópikus kép széle életlen volt, ill. színes gyűrűk jelentek meg. Leonhard Euler (1707-1783) svájci matematikus úgy gondolta, hogy a kromatikus aberrációt úgy lehet megszüntetni, ha kétféle anyagból készítik a lencséket, de ez az elképzelés nem vált be. John Dollond 1759-ben két különböző törésmutatójú lencsét illesztett össze és ezzel sikerült előállítani az akromatikus objektívet, vagyis kiküszöbölte a színi eltérést. A mikroszkópkészítésben forradalmi változást hozott Karl Zeiss és Ernst Abbe fizikus működése. Abbe megoldja a szferikus aberráció problémáját, objektívjében a konvex lencserendszerhez egy konkáv lencsét illesztett, ezzel szétterítette a széli sugarakat és így sikerült egy síkba eső, mindenütt éles képet nyernie. Jénában a Zeiss gyárban állították elő 1853-ban az első korszerű mikroszkópot. A gyár azóta is működik, kiváló optikai termékei – mikroszkópok, fényképezőgép objektívek, távcsövek, stb. – az egész világon ismertek. A XVII. Századtól egyre több mikroorganizmust fedeztek fel, de szerepükről az élővilágban, a betegségek kialakulásában még semmit nem tudtak. Volt néhány zseniális megsejtés, ilyen pl. 100 évvel a vírusok megismerése előtt a himlő elleni védőoltás (aktív immunizálás) bevezetése. Lady Montagu Anglia törökországi nagykövetének felesége már 1717-ben beszámolt arról, hogy az ázsiai országban úgy védekeznek a himlő ellen, hogy a himlős hólyagokból nyert váladékot bejuttatják az egészséges emberekbe, akik ezután a fertőzés után már nem betegedtek meg. Edward Jenner megfigyelte, hogy akik az emberre kevésbé veszélyes tehénhimlővel fertőződtek, nem betegednek meg feketehimlőben. Egy fiatal fiút először tehénhimlővel, majd ezt követően hat hét múlva feketehimlővel oltott be, s a gyermek nem fertőződött meg. Ezzel a kísérlettel felfedezte az aktív immunizálást és 1796-tól kezdve rendszeresen oltott a fenti módszerrel. Semmelweis Ignác (1818-1865) felismerte, hogy a fiatal szülő nők tömeges elhalálozása ún. gyermekágyi lázban megelőzhető, ha a szülőszobába lépés előtt az orvosok klórmeszes vízben kezet mosnak, pedig még semmit nem tudott a fertőzést okozó baktériumokról.

5

Ehrenberg 1838-ban „Az ázalék-állatkák” c. munkájában már használja a baktérium, bacillus és sperillum szavakat. A mikrobák felfedezése után ismét feléledt a „generatio spontanea”, vagyis az ősnemzés elmélete. Eszerint, a makrovilágban már korábban megcáfolt hiedelem szerint az élettelen anyagba életerő – „vis vitalis” – költözik, így keletkeznek a tejben, a húslevesben és másutt a mikrobák. Louis Pasteur (1822-1895) francia vegyész, a gyakorlati mikrobiológia megteremtője minden kétséget kizáróan cáfolta ezt az elméletet, bebizonyítva, hogy a húsleves, stb. csak akkor romlik meg, ha fedetlenül hagyjuk, és a levegőből belekerülhetnek a baktériumok vagy azok spórái. Pasteur a kor által teremtett igényeknek megfelelően elsősorban az ipari és egészségügyi gyakorlatban fontos kérdésekkel foglalkozott. Tisztázta, hogy az alkoholos erjedés az élesztőgombák működésének az eredménye, felfedezte az anaerob tejsavas és vajsavas erjesztő baktériumokat. 1865-ben kidolgozta az azóta is nevét őrző pasztörizálás módszerét, amikor a romlékony folyadékot felmelegítik (nem forralják!), utána lehűtik és így hosszabb ideig eltartható minőségromlás nélkül, mert a hő elpusztította a mikrobák vegetatív alakjait. (Megemlítendő, hogy 1861-ben Preysz Móric már alkalmazta ugyanezt az eljárást, de csak magyarul írta le, ezért nem vált általánosan ismertté.) Pasteur jelentős eredménye a baromfikolera és a lépfene elleni oltóanyag elkészítése, valamint a kor félelmetes betegségének, a veszettségnek a leküzdése. Először 1885. június 6-án használta egy fiatal fiún az oltóanyagot, ami teljes gyógyuláshoz vezetett. A párizsi Pasteur Intézet napjainkban is a világ egyik legjelentősebb oltóanyagokat előállító intézménye. Robert Koch (1853-1910) német orvos a tudományos bakteriológia megteremtője, aki kidolgozta a mikrobák vizsgálatának azóta is használt alapvető módszereit. Ilyenek a táptalajon való tenyésztés, az átoltás, a színtenyészetek előállítása, a festési eljárások, stb. Felfedezte a tbc bacilust (azóta használatos a Koch-bacilus elnevezés), a lépfene, a kolera, a tífusz és az álomkór kórokozóját. Megalapította Berlinben a világhírű Koch Intézetet. Munkásságáért 1905-ben Nobel-díjat kapott.

1. ábra A mikroszkóp vázlata: a fénysugarak útja (F), tükör (T), kondenzor (K), preparátum (P), az objektív (OB) különböző lencséi, szemlencse (SZ).

6

A korszak bővelkedett megszállott és tehetséges emberekben, akik elsősorban a kórokozó mikrobákat kutatták eredményesen. Alexander Yersin (1863-1843) a távolkeleten izolálta a pestisbacilust, Emil Behring (18541917) felfedezte azantitoxinokat és kidolgozta ezek gyógyászati alkalmazását. Ilja Mecsnyikov (1854-1916), Calmette és Guérin 1924-ben előállítják a tbc. elleni vaccinálásra alkalmas a BCG oltást, 13 évig epetartalmú táptalajon tenyésztett, legyengített baktériummal. Dimitrij Ivanovszkij 1892-ben indirekt módon kimutatja, hogy léteznek a baktériumoknál is kisebb kórokozók, a vírusok. Paul Erlich (1854-1915) tökéletesíti a baktériumok megfestésére alkalmas technológiát. Az álomkór elleni védekezésre és a vérbaj (szifilisz) gyógyítására először alkalmazott a testen belül szervetlen vegyületeket (kemoterapeutikumokat), ezzel új utat nyitott a mikrobák elleni küzdelemben. Nevéhez fűződik a Koch-bacillus megfestése. Legnevezetesebb készítménye a salvarsan, amellyel sikeresen gyógyította a vérbajt. Munkássága elismeréseként 1908-ban Nobel-díjat kapott. Gerhard Domagk (1895-1964) felfedezte a szulfonamidok antibakteriális hatását, munkásságát 1947-ben Nobel-díjjal jutalmazták. A mikrobiológusok az emberi és állati kórokozók kutatása, a védekezési eljárások kidolgozása mellett tanulmányozták a talajban élő mikroorganizmusokat is. Vinogradszkij már a XIX. Század végén izolálta a nitrifikáló baktériumokat. A mikrobák elleni küzdelem egyik legnagyobb eredménye volt a XX. Században az antibiotikumok felfedezése. Az érdem Alexander Fleming (1881-1955) skót bakteriológusé, aki egy véletlen folytán jött rá, hogy a Penicillium notatum ecsetpenész faj által termelt – penicillinnek nevezett anyag gátolja a baktériumok szaporodását. A penicillin nagyüzemi előállításának kidolgozása után az emberek százezreinek életét mentette meg. Waksman (1888-1973) az Actinomyces csoport tanulmányozása során előállította a streptomycint (1943), amely elpusztítja a penicillinnel szemben resistens baktériumokat, így a tuberkulózis bacillust is. Weller, Enders és Robbins felfedezték a félelmetes betegség, a járványos gyermekbénulás vírusát, így vált lehetővé, hogy Salk 1955-ben kidolgozhatta a vaccinálást. Ő elölt vírust juttatott be a szervezetbe injekcióval, Sabin viszont ártalmatlan, de élő vírust használt, ezt szájon át adták be a gyerekeknek (Sabin cseppek). A vírusok elszaporodtak a bélcsatornába, így tartós védettség alakulhatott ki. A talajban zajló mikrobiális folyamatok tisztázásában Waksman és Vinogradszkij mellett Löhnis játszott fontos szerepet. Előzőek a N-megkötést, utóbbi a trágyában lezajló folyamatokat tisztázták. (Azotobacter chroococcum kutatás). Hazai tudósaink közül a bakteriológiában kiemelkedő Fodor József (a fagocitozis és az antitestek együttes hatásának felismerése), Hőgyes Endre (a veszettség elleni oltás tökéletesítése), Schlesinger Márton (bakteriofágok izolálása), Marek József, Hutyra Ferenc, Aujeszky Aladár (állatorvosi mikrobiológia), Fehér Dániel (erdei talajok mikrobái) munkássága.

7

A mikrobiológiai kutatások jelentősebb eseményeinek felsorolásában nagyobb hangsúlyt kaptak az orvosi mikrobiológiai felfedezések, természetesen a talaj és a vizek mikrobáinak a kutatói is jelentős eredményeket értek el, ezekről ott teszek említést. Kétségtelen, hogy Koch és Pasteur munkássága forradalmi jelentőségű volt a mikrobiológiában, a gyakorlati és elméleti metodika kidolgozását követően születtek a nagy felfedezések, amit elősegített az elektromikroszkóp felfedezése (virológia, bakteriológia) és a biokémia molekuláris biológiai módszerek kialakulása.

2. ábra JEM-100Celektronmikroszkóp oszlopának keresztmetszete 1 anódkamra; 2 katódszerelvény; 3 anódkamra levegőszelepe; 4 sugárnyaláb-eltérítő tekercs (1.); 5 sugárnyaláb-eltérítő tekercs (2.); 6 kondenzorlencse pólussaru; 7 1. Kondenzorlencse tekercs; 8 2. Kondenzorlencse tekercs; 9 kondenzorlencse stigmátor tekercs; 10 kép-wobbler tekercs; 11 sugárnyaláb-elmozdulást kompenzáló tekercs (1.); 12 sugárnyaláb-elmozdulást kompenzáló tekercs (2.); 13 sugárnyaláb-eltérítő tekercs (3.); 14 mintatartó; 15 sugárnyaláb-eltérítő tekercs (4.); 16 objektívlencse pólussaru; 17 objektívlencse stigmátor tekercs; 18 objektívlencse tekercs; 19 1. Közbensőlencse tekercs; 20 közbensőlencse pólussaru; 21 2. Közbensőlencse tekercs; 22 projektorlencse tekercs; 23 projektorlencse pólussaru; 24 megfigyelőkamra; 25 fényképezőkamra

8

Napjaink nagy kihívásai az újonnan jelentkező, óriási károkat okozó vírusok, prionok elleni védekezés, gondoljunk csak az AIDS-re, az Ebola-vírusra, a szarvasmarha járványos agysorvadására vagy legújabban a baromfi-influenza okozta sokkhatásra.

VIRUSOK (VIROPHYTA) A vírusok ellen már megismerésük előtt is kidolgoztak néhány eredményes védekezési eljárást, emlékezzünk pl. Jenner vaccinálására a XVIII. Században. Mikor 1885-ben Pasteur bejelentette, hogy kidolgozott egy módszert a veszettség ellen, a bakteriológia másik óriása, Koch gúnyosan jegyezte meg: „Pasteur a semmi ellen készít vaccinát.” (Nem igazán szerették egymást.) Ivanovszkij felfedezése után már ismertté vált, hogy vannak a baktériumoknál kisebb és betegségeket okozó szervezetek. Löffler és Frosch 1898-ban megállapították, hogy a száj- és körömfájás kórokozója átjut a baktériumszűrőn. Beijerinck 1898-ban a dohánymozaik betegséget „contagium vivum fluidum”-nak írja le. Felismeri, hogy a vírus csak az élő sejtekben képes a szaporodásra. Reed felfedezi a sárgaláz vírusos eredetét, felismeri, hogy a betegséget a szúnyogok terjesztik. (1900-as évek eleje). Howard T. Ricketts és Stanislaus von Prowazek a kiütéses tífuszt tanulmányozva mindketten életüket vesztették. Az általuk vizsgált kórokozót Nicolle is vizsgálta és 1916-ban Da RochaLima a két tudós emlékének adózva Rickettsia prowazeki nevet adta neki. A vírusok morfológiája megismerésének előfeltétele volt az elektronmikroszkóp felfedezése. Knoll és Ruska 1932-ben ismertették az első transzmissziós elektronmikroszkópot, amely a korszerű gépek prototípusának tekinthető. Azóta számos készüléket építettek, amely használata óriási lehetőségeket teremtett a szubmikroszkópikus világ felfedezéséhez. A fénymikroszkóp feloldóképességének határt szab a fény hullámhossza, ezért ha a két vizsgált részecske 200 nm-nél kisebb, azok már nem különíthetők el. A 60.000 V-al gyorsított elektronsugár hullámhossza 5 nagyságrenddel kisebb, ezért a korszerű elektronmikroszkóp feloldóképessége kb. 1000 x jobb, mint a fénymikroszkópé. A készülék belsejében vákuum (10-2 Pa) van, hogy az elektromágneses vagy mágneses lencsékkel irányított elektronok minél kevesebb molekulával ütközzenek. Mivel az elektronkép nem látható, a képet fluorescens ernyőn, fotolemezen vagy képerősítéses televíziós rendszeren lehet tanulmányozni. A vizsgálathoz speciális, ultravékony metszeteket kell készíteni. A vírusokról a rendszertanban már tanultak, ezeket az információkat nem ismétlem meg. Mai meghatározásuk: a vírus mérgező genetikai információ, vagy leegyszerűsödött (elhülyült) baktérium, vagyis magasabbrendű rendszerekből alakultak ki. Csak ismétlésként – a vírusok legjellemzőbb tulajdonsága, hogy csak élő sejtekben tudnak szaporodni. Ennek során több fejlődési szakasz van, de a vírus nem fertőz, csak az építőelemek összekapcsolódása után, ha exracellulárissá (vírionná) válik. Morfológiai jellemzése csak a virionnak lehetséges. A vírusok csak RNS-t vagy csak DNS-t tartalmaznak, ha mindkét nucleinsav előfordul, az adott szervezet már nem vírus. A nucleinsav egyetlen makromolekula.

9

Tiszta állapotban először a növényi vírusokat sikerült előállítani, 1935-ben Stanley kristályos formában is izolálta a dohánymozaik vírusát. (1946-ban Nobel-díjat kapott.) A vírusok fehérjéből és nukleinsavból álló felépítő egységét capsomer-nak nevezzük, ezek összessége a nucleocapsid, amelyet esetenként körülvehet egy lipoidokból, lipoproteinekből, szénhidrátokból álló burok, a peplon. A nucleinsavak, fehérjék és más vegyületek %-os aránya néhány vírusban a következő: Dohánymozaik vírus: RNS: 5,1; fehérje: 94,9 Poliomyclitis vírus: RNS: 25-30; fehérje: 70-75 Herpes vírus: RNS: 6,5; fehérje: 70; lipoid: 22; szénhidrát: 1,5 Myxovírus: RNS: 1-4; fehérje: 60-70; lipoid: 25; szénhidrát: 3-8. A vírus a fehérje denaturálódásakor elveszti fertőzőképességét. A párás meleg levegő 55-60 °C-on már 20 perc alatt inaktivál, a beszáradt anyagon ehhez 100-120 °C kell. A vírusok UV sugarakkal szemben érzékenyek, hatásukra rövid időn belül elpusztulnak. A vírusok szaporodására jellemző, hogy általában gazdasejt specifikusak, de ez alól van kivétel, egyes fajoknál nincs szigorú kötődés. A bakteriofágok esetében csak a DNS hatol be a gazdasejtbe, a növényeken élősködő vírusok sérüléseken át vagy rovarok közvetítésével fertőznek, az állati kórokozók a sejthártya receptorain megtapadva pinocitozissal juthatnak be a sejtbe. Az enkarioták esetében a komplett vírus kerül a gazdaszervezetbe. Kimutatásuk lehetséges az általuk okozott szövetkárosodás tüneteiből. Tanulmányozásuk csak elektronmikroszkóppal lehetséges, de ehhez szövettenyészetekben feldúsított vizsgálati anyag szükséges. Elkülönítésükhöz ultracentrifugát használnak, ennek a módszernek az alapja az, hogy az ülepedési sebesség méret és alakfüggő. Az állatoltás (fehér egér, aranyhörcsög, tengeri malac) a betegség tünetei és a kórbonctani kép révén ad információkat. A vírusok vizsgálatának leggyakoribb módszere a csirkeembrió fertőzése, ahol a kórbonctani elváltozások nagyon jellegzetesek. Az állatoltásokat egyre jobban kiszorítják a szövetkultúrákban való tenyésztés, pl. a vesesejtekben, placentasejtekben, tojásból származó chorionallantois hártyában. Az immunbiológiai vizsgálati módszerek alapja, hogy a peplon, ill. a capsid specifikusak, amelyek ellen antitestek képződnek. Ezeknek a szerológiai reakcióknak történő kimutatása fontos információkat adhat. A vírusokkal szemben lehetséges faj-immunitás, ebben az esetben a vírus nem tud a faj sejtjeibe behatolni. (pl. a száj- és körömfájás vírusa nem fertőzi az embert.) A szerzett immunitás a fertőzés során alakul ki, amikor a szervezet specifikus ellenanyagokat termel. Ez abban az esetben nem jelent biztonságos védelmet, ha a vírusnak több antigén típusa van. (Pl. influenza, poliomyelitis). A szerzett immunitás tisztán humorális, fagocitózis nincs vírussal szemben. A szérumterápia (amikor kész ellenanyagot juttatnak a szervezetbe) csak megelőzés, illetve a fertőzés progresszivitásának csökkentésére alkalmas. Az aktív immunizálás lehetséges élő, legyengített kórokozóval (pl. Sabin cseppek, BCG oltás, stb.), de lehetséges inaktivált vírussal is (influenza, poliomyelitis – Salk vaccina), de akkor a védettség rövid ideig tart.

10

Vírus interferencia, interferon Felfedezték, hogy UV sugarakkal inaktivált influenza vírus sejtbe juttatása után az aktív vírussal szemben ellenálló lesz a sejt, mert két vírus általában nem tud ugyanabban a gazdasejtben szaporodni. Tehát az egyik vírusfertőzés hatására úgy módosul, hogy a másik fajjal vagy típussal sem fertőzhető. A jelenség a vírusok és a sejtek kölcsönhatásának (interferencia) a következménye. Oka lehet egyrészt az, hogy az első víruslehatolás során a megkötő helyek (receptorok) elpusztulnak, másrészt az ún. interferon képződése. Az interferon magas hő és pH stabilitású antivirális glikoprotein. A keletkezett interferon az azonos fajú gazdasejtek membránreceptoraihoz kapcsolódik és inaktív enzimek képződését indítja el, amelyek vírusfertőzés hatására aktivizálódnak és pl. elbontják a víruseredetű m RNS-t. Az interferon gazdasejt specifikus, vagyis más faj sejtjében azonos vírussal szemben sem hatásos. A vírusok a gazdasejten kívül nem aktívak, ezért a kemoterapeutikumok és az antibiotikumok nem pusztítják el őket. A vírusfertőzéskor adott antibiotikum a legyengült szervezetet a ráfertőzéstől védi.

A vírusok rendszere Rendszerük mesterséges, elkülönítésük a nukleinsavak, a méret, a kapsid és a biológiai hatás alapján történik. Wildy 1971-ben 43 víruscsoportot írt le. Ezek közül csak a legjelentősebbeket említem. Pox-vírusok. Ide tartoznak a himlő kórokozói (embert, juhot, sertést, lovat, szárnyasokat fertőző fajok). T-páros fágok a baktériumokban szaporodnak. (pl. az Eschenichia oli fágjai). Herpeszvírusok csoportjából legismertebbek a herpeszt és a bárányhimlőt okozók. Az adenovírusok a légcsőben, az emésztőrendszerben, a mandulákban fertőznek. Egyes vélemények szerint a rákos folyamatok kialakulásáért is felelősek. A myxovírusokhoz tartozik a mumpsz, a kanyaró, az influenza kórokozója. Az influenza vírusoknak több szerológiai (antigén) csoportja van, ezért nehéz védekezni ellenük. Világjárványok ismétlődnek évente, óriási anyagi károkat okoznak. A rhabdovírusokhoz soroljuk a veszettség vírusát. Ez a félelmetes betegség hosszú lappangás után jelentkezik jellemző tünetekkel – ekkor már a beteg menthetetlen. Leküzdése Pasteur nevéhez fűződik. Az arbovírusok közé tartozik a kullancs encefalitisz, a sárgaláz, a dengue-láz kórokozója. Mindhárom vírust rovarok, kullancs, illetve szúnyogok terjesztik. A picornavírusok közül rendkívül veszélyes kórokozók a járványos gyermekbénulás (poliomyelitis), illetve a kérődzőket megbetegítő száj- és körömfájás vírusai. Vírus okozza a rubeolát, a monucleosis infectiosát, a fertőzéses hepatitiszt, a dohányvészt, a dohánymozaik betegséget és sok más fertőzést. A viroidok szélsőségesen redukálódott vírusok, nincs kapszid, csak RNS-ből állnak. A burgonyagumó orsósodását okozó viroidban lévő RNS pl. 359 nukleotidból épül fel. A prionok fertőző fehérjetestecskék, ezek okozzák pl. a szarvasmarhák szivacsos agyvelőgyulladását, vagy az embert veszélyeztető Creutzfeld-Jakob betegséget. Felfedezőjük S. Prusinev 1982-ben, kutatásaiért 1997-ben Nobel-díjat kapott.

11

BAKTÉRIUMOK (SCHIZOMYCOPHYTA) Az első sejtes szerveződésű, önálló anyagcserére és szaporodásra képes prokariota élőlények, amelyek mintegy 3,4 milliárd évvel ezelőtt jelentek meg. (Az első prokariota fotoszintetizálók, a kékalgák 2,4 milliárd éve léteznek, az eukariota sejt 1,5 milliárd éve alakult ki). Felfedezésük a jó minőségű képet adó lencsék készítése után vált lehetővé (XVI. század – ld. történeti rész!), a nagy felfedezések kora a XIX. és XX. század, ekkor alakult ki a bakteriológia tudománya. A baktériumok megismerésének új fejezete kezdődött az elektronmikroszkóp elkészítése, illetve a biokémiai és molekuláris biológiai vizsgálati módszerek kialakulása és tökéletesedése után. A rendszertani tanulmányaik során már megismerték a baktériumok sok jellemző tulajdonságát, röviden és emlékeztetőül ezeket is áttekintjük. Méretük 0,5 – 20 (mikron) között változik, de lehetnek nagyobbak is, mint pl. a sugárgombák (Actynomyces csoport). Alakjuk, mint ismert, változatos, lehet gömb (coccus), pálcika (bacilus), illetve csavart, ennek típusai az egyszer görbült vibrio, az S alakú spirillum és a sokszorosan csavart spirochaeta. Rendszertani besorolásuk többnyire az alakjuk ill. festődésük szerint történik, bár az alakbeli hasonlóság nem jelent rokonsági kapcsolatot.

3. ábra 1. monococcus 2. diplococcus 3. tetracoccus (tetragenus) 4. sarcina 5. straphilococcus 6. streptococcus 7. bacilus 8. diplobacilus 9. streptobacilus 10. vibrio 11. spirillum 12. spirrochaeta

A baktériumok felépítése A baktériumok alaktartó váza a sejtfal, amely különbözik a növényi sejtfaltól abban is, hogy nincs benne cellulóz. A sejtfal felépítése nem egységes, ennek alapján differenciáló festéssel két fő csoportra lehet szétválasztani a baktériumokat. Az eljárás a Gram-festés, amikor a tárgylemezre oltókaccsal felvitt baktériumkenetet először genciánaibolyával festik, ezután abszolút alkohollal mossák át (differenciálás), majd ezt követően fukszinnal festik. A genciánaibolya által sötétlilára festett csoport a Gram-pozitív, a fukszinnal bíborvörösre festődők a Gram-negatívak.

12

A Gram-pozitív baktériumok falán peptidoglikán (murein) építi fel, amely stabilan megköti a genciánaibolyát, így az alkohol nem tudja kioldani belőle. A Gram-negatívak sejtfala bonyolultabb, a plazmamembránnal érintkező peplidoglikán réteg csak egy molekula vastagságú, ezt egy külső membrán borítja, amelyet külső lipopoliszacharid réteg vesz körül. Ez a fal nem köti meg a genciánaibolyát, az alkohol kimossa belőle és a második festéskor a fukszin színezi meg. A Gram-negatív baktériumok a fejlettebbek, az összetett sejtfal lehetővé teszi a mikroba és a környezet közötti bonyolultabb kapcsolatokat. Ezek a szervezetek ellenállóbbak is. Az ősbaktériumok (Archaebacter) fala nem tartalmaz peptidoglikánt, a Mykoplasmák sejtfala hiányzik. A citoplazmamembrán az élővilágban általánosan elterjedt foszfolipid-fehérje felépítésű. A fotoszintetizáló baktériumokban a membrán betüremkedéseiből álló intracitoplazmamembránhoz kapcsolódnak a fényenergiát megkötő pigmentek (Chlorobium, Rhodospirillum fajok.)

4. ábra A baktériumsejt szerkezete: 1. tok 2. sejtfal 3. plazmamembrán 4. fimbria 5. mezoszóma 6. DNS 7. csilló 8. alapi test 9. tartalék tápanyag 10. riboszómák 11. harántszeptum 12. plazmid 13. citoplazma Néhány esetben a baktériumsejt körül egy nyálkás-kocsonyás burok, a tok alakul ki, amelyet poliszacharidok, polipeptidek építenek fel. Szerepet játszik a fagocitozissal szembeni rezisztencia kialakulásában, a tápanyagok adszorpciójában. A tok elvesztése után az immunrendszer el tudja pusztítani a baktériumot. A fimbriák egyenes lefutású, üreges, fehérjékből felépülő, pálcikaszerű képletek. A csillóknál rövidebbek és nem játszanak szerepet a mozgásban. Feladatuk csak részben ismert, a sejtet a tárgyakhoz rögzíthetik, a női és hím jellegű sejtek közötti kapcsolat kialakításában (Pl. E. coli) vesznek részt. A mezoszómák a citoplazmamembrán betüremkedései, a sejtosztódáskor a sejtfal kialakításában és a spóraképzésben van szerepük. A tartalék tápanyag lehet keményítő,

13

glikogén, polifoszfát, stb. A riboszómák felszínén játszódik le a fehérjeszintézis. A plazmidok (episzómák) tulajdonképpen DNS gyűrűk, ún. extrakromoszomális genetikai elemek. Különböző típusaik ismertek: az ún. F-faktor a kromoszóma anyagának másik sejtekbe történő átvitelében játszik szerepet. Az R-faktor (resistencia faktor) a gazdasejt antibiotikumokkal szembeni ellenállóképesség kialakítása, a Col-faktorok a más baktériumokat elpusztító colicinek termelését irányítják. A nukleáris állomány a citoplazmában helyezkedik el, nincs maghártya és mitotikus apparátus. A DNS egyetlen, többnyire gyűrű alakú baktériumkromoszómát alkot, a sejt (n), vagyis haploid. A DNS egy ponton a sejtmembrán befűződéséhez tapad, ez a pont tartalmazza azokat az enzimek, amelyek a DNS replikációt eredményezik. Több baktérium képes aktív mozgásra, ez csillók segítségével történik. A csillók plazmanyúlványok, a baktériumok esetében mindenilyen képletet csillónak nevezünk. Fénymikroszkóppal nem láthatók, egy sejten egy- vagy több helyezkedhet el. Ennek alapján a következő típusokat különböztethetjük meg:

5. ábra

A csilló fonalas része (filament) a flagellin nevű fehérje kötélszerűen összefonódott és csavarodott molekuláiból áll. A kampó hatol át a sejtfalon, összekapcsolja a filamentet az alapi testtel (corpuscula basalis). A Gram-pozitív baktériumokban egyetlen gyűrűből, a Gramnegatívokban két gyűrűből áll. A csilló körforgást végezve hajtja előre a sejtet. A Spirochaetáknál ún. „belső ostor” alakult ki, amely a filamentumhoz hasonló, hosszú, ostorszerű rész, amit egy hüvely borít. Szerepe a helyváltoztatásban még nem ismert pontosan. Néhány baktériumfaj képes csúszómozgásra is. Ennek hátterében nyálkakiválasztás és ezen való haladás vagy a sejten végighaladó kontrakciós hullámok állnak, de mindkét elképzelést vitatják. Kedvezőtlen körülmények között, pl. öregedő tenyészetekben több bacilusban a sejten belül egy túlélő képlet, a spóra alakul ki. A spóra kialakulásakor a citoplazma a nukleotidok körül tömörül, feltöltődik tartalék tápanyagokkal és vastag spóraburkot fejleszt. A spóra elhelyezkedése lehet centrális és excentrikus. Rendkívül ellenálló forma, a hagyományos sterilizáló eljárások nem pusztítják el, ezért fontos annak ismerete, hogy egy faj képez-e spórát vagy sem.

A baktériumok anyagcseréje A baktériumok kevés kivételtől eltekintve heterotrofok. Csak vízben oldható anyagokat képesek felvenni. Az ásványi sók közül a legfontosabb tápanyagok a Ca, K, Na, Mn, Mg, P, S, Cl. A nagymolekulájú tápanyagokat extracellulárisan ható enzimekkel bontják le. A határhártyán átjutás egy enzimjellegű vegyületcsoport, az ún. permeazék révén történik. A

14

baktériumok termelte enzimek nagyon változatosak, ezzel magyarázható, hogy nagyon kevés anyag tud ellenállni a mikroorganizmusoknak. Magas hőmérsékleten, pl. a trópusokon szinte mindent károsítanak, még a műanyagokat, a paraffint is lebontják. Kedvező körülmények között rendkívül intenzív a táplálkozásuk. Az autotrof baktériumok képesek külső (nem szerves molekulákban kötött) energiaforrást felhasználva redukálni a CO2-ot és szervetlen anyagokból szerveset szintetizálni. A fotoszintetizálók (fototrofok), pl. Rhodospirillaceae, Chromatiaceae, Chlorobiaceae genusok fajai éppúgy fotoszenzitív pigmentekkel rendelkeznek, mint a magasabbrendű növények. Ilyenek a baktrioklorofill, a karotinoidok, bíborszínű pigmentek (bakteriorodopszin). A CO2 redukálás a magasabbrendűekhez hasonlóan a Calvin-ciklusban történik. A kemoszintetizálók (kemoautotrof baktériumok) közül kerülnek ki a legősibb csoportok, mint pl. a Methanobacteriumok, amelyek még anaerobok. Itt az elektrondonor a H2, a folyamat leegyszerűsített menete a következő: 4H2+CO2 → CH4+2H2O, a felszabaduló energia (31,3 kcal/mól) ATP-be épül be. Ezek a fajok minden oxigénmentes helyen előfordulnak, mint pl. mocsarakban (a keletkezett metán = mocsárgáz) iszapban, állatok belében. Fontos szerepük van a kérődzők emésztésében, a szennyvíztisztításban és a földgáz keletkezésében, a bányákban a sújtólégrobbanását okozó gázelegy kialakításában. A szulfátredukálók (pl. Desulfovibrio csoport) szintén ősi élőlények, amelyek már akkor megjelentek, amikor az őslégkör oxigéntartalma még nagyon alacsony volt. Szulfátokból vagy elemi kénből kénhidrogént (SH2) redukálnak. A kénfelhalmozódások zöme mikrobiális szulfátredukció eredményeként keletkezett. A redukciós folyamatok során felszabaduló energiával redukálják a CO2-t. Vannak anaerob zöld- (Chlorobiaceae) és bíbor kénbaktériumok (Chromatioaceae), amelyek fényenergia segítségével szulfidokból vagy elemi kénből szulfátokat oxidálnak. A nitrifikáló baktériumok (Nitrobacteriaceae) a szerves anyagok lebontásakor keletkezett ammoniát nitritekké, ill. nitrátokká alakításakor felszabaduló energiát használják a CO2 redukálásához. A nitritbaktériumok működésének lényege: 2 NH3 + 2 O2 → 2 HNO2 + 158 cal. A nitrátbaktériumok által irányított folyamat: 2 HNO2 + O2 → 2 HNO3+ 48 kal. A denitrifikálók általában anaerobok és a nitrátokból nitriteket, ebből ammóniát alakítanak ki, működésük a talaj N tartalmát csökkenti. A vasbaktériumok működésének eredménye az ún. gyepvasérc felhalmozódása. Az általuk irányított reakció a következő: 2 FeCO3 + 3 H2O + O → 2 Fe(OH)3 + 2 CO2 + 29 cal. A szimbionták (pl. Rhizobium fajok) a levegő N tartalmát kötik meg. Aerob pálcikák, amelyek a pillangóvirágúak gyökérgümőiben élnek. Az energiafelszabadítás lehetséges anaerob folyamatok révén (fermentáció) vagy aerob úton (légzés). A lebontás extracelluláris enzimekkel történik. A fermentációs (erjedési) folyamatok eredménye nagymolekulájú szerves anyagok keletkezése és kis mennyiségű energia felszabadulása. A legfőbb kiinduló molekula a glükóz, a lebontás első szakasza, a glükolízis már a biológiából ismert. A piroszőlősav (CH3-CO-COOH) molekula az erjedés során különböző szerves végtermékekké alakulhat. Az élesztőgombák (Saccharomyces) működésének során etilalkohol (CH3-CH2OH) keletkezik, amely oxidatív úton ecetsavas erjesztők hatására ecetsavvá (CH3COOH) alakulhat. Az alkohol erjedés során CO2 szabadul fel, ATP és NADH2 keletkezik.

15

A tejsavas erjesztők (Lactobacillus) a laktózt használják energiaforrásként. A keletkezett tejsav (CH3-CHOH-COOH) sokoldalúan hasznosítható mint konzerváló anyag. (Pl.: silózás, savanyú káposzta készítés, kovászos uborkakészítés esetében.) A vajsavas erjedés többnyire Clostridiumok működésének eredménye. Ún. obligát anaerobok vagyis O2 jelenlétében nem szaporodnak. A vajsav rendkívül kellemetlen szagú, ha pl. a silóban a tejsav mellett képződik, az használhatatlan. A baktériumok jelentős része aerob, illetve obligát aerob (az O2 hiányában anaerob úton történő lebontással szabadítja fel az energiát.) Ezek a csoportok a szerves anyagokat végtermékeikre bontják. Az energiafelszabadítás a sejttanból már ismert módon, a citrátkörben, ill. a terminális oxidáció során történik. Az eukariotákkal ellentétben a mitokondriumok hiánya miatt az utóbbi reakciók a citoplazmamembránok letüremkedésein történnek, tehát éppúgy membránokhoz kötöttek, mint a fejlettebb szervezetekben. A baktériumok szaporodása Kedvező körülmények között a baktériumok tömege gyorsan növekedik. Ebben különböző növekedési anyagoknak, vitaminoknak, nyomelemeknek van szerepe. A növekedés következtében a tömeg-felület arány romlik, ezért a sejt kettéosztódik. Az ivartalan szaporodás mellett előfordulhat az örökítő anyag cseréje is konjugációval. A szaporodás mechanizmusa a következő: a DNS állomány megkettőződik, majd a citoplazma szétválik, a harántmembrán betüremkedik és elválasztja a két utódsejtet, ezután kialakul a sejtfal. A keletkezett új sejtek hosszú ideig összekapcsolódhatnak, így jönnek létre a már ismert többsejtes formák, mint pl. streptococcus, streptobacilus, stb. A szaporodás üteme átlag 20-30 perc. (Ennek ismerete gyakorlati szempontból is fontos.) Lefolyása négy szakaszra bontható:

6. ábra 1. Nyugalmi szakasz: Ilyenkor a sejt csak növekedik, szaporodás még nincs. 2. Logaritmusos szakasz: állandó, gyors osztódás, az osztódások közötti idő fajonként változhat. 3. Stracioner szakasz: az élő baktériumok száma állandó, az elpusztultakkal együtt az összlétszám kismértékben növekszik. (Az intenzív szaporodás megszűnésének oka a táptalaj kimerülése és a mérgező anyagcseretermékek felhalmozódása.)

16

4. Csökkenő szakasz: a baktériumok folyamatosan pusztulnak, az élők száma rohamosan csökken, megkezdődik (spórásoknál) a spóraképzés! A szaporodást befolyásoló külső tényezők: Hő: Optimális az az érték, ahol a legintenzívebb a szaporodás, kórokozóknál, pl.: a 37 °C. A magas hőmérséklet denaturáló hatású, ez a sterilizálás alapja. Az alacsony hőmérsékleten lassú a szaporodás, a kritikus érték alatt leáll. Az ún. mezophil fajoknál az ideális határ 15-40 °C közötti értékek között változik. A termophil baktériumok esetében az optimum 45-60 °C. A psychrophilok (hidegkedvelők) főleg a hideg tengerekben, a talaj mélyebb rétegeiben élnek, ezek 30 °C-on már elpusztulnak. (A hidegkedvelők okozzák, hogy a hűtőszekrényekben 4-6 °C-on tárolt élelmiszerek megromlanak.) -

Kémhatás: a baktériumok számára optimális a 7,2-7,8 pH érték, de a savkedvelők még 5-ös pH mellett is szaporodnak. Vannak fajok, amelyek a lúgos közeget kedvelik (pH/9.), pl.: az ázsiai kolera kórokozója.

-

Víz: alapvető testalkotó és tápanyag. A baktériumok a vízhiányt (kiszáradást) változó módon viselik el, a spórások sokáig életképesek maradnak. (Kicsit bizarr állítás, hogy 300 évvel ezelőtt gyűjtött növény gyökeréből lehetett aktivizálni pl. a Bacillus subtilist).

A baktériumok tenyésztése, vizsgálata A tenyésztés alapelveit Koch dolgozta ki a XIX. Szd. Második felében. Cél, hogy mesterségesen kialakított, kedvező körülmények között szaporítsuk a baktériumokat, megkönnyítve így a faj meghatározását, fiziológiai vizsgálatát. Alapelv a szigorú sterilitás. A tenyésztés táptalajokon történik. Ezek lehetnek természetes anyagok, mint a tej, vérsavó, vér, epe, tojás, hős, burgonya. Legfőbb gond, hogy összetételük nem stabil, emiatt a baktériumok szaporodása, viselkedése változó lehet. A mesterséges táptalajok összetétele meghatározható. A folyékonyak közül leggyakrabban használt a húsleves. Sterilizálás után oltják be, a baktériumok elszaporodását a zavarodás, felületi hártya vagy üledékképződés jelzi. Hátránya, hogy az egyes fajok nem vagy csak nehezen választhatók el egymástól. A szilárd táptalajok váltak be a legjobban. Ezek úgy állíthatók elő, hogy a húslevesbe 1-2 %ban agar-agart főznek. Ez a keverék 45 ºC alatt kocsonyás anyaggá dermed. Betölthető kémcsőbe, amelyet ha függőlegesen tartunk, vízszintes, ha ferdén, ferde felületen szilárdul meg. (magas ill. ferde agar.) Petri-csészébe öntve az ún. agarlemezt kapjuk. A steril táptalajon a rájuttatott baktériumok telepeket alkotnak, ezek színe, alakja alapján már jól differenciálhatók egyes fajok. (Pl. a Staphyhococcusok színe aranysárga, a Streptococcusoké világos sárga, stb.) Kiizzított platinkaccsal átoltva egy-egy telepből vett baktériumokat új táptalajra csak egy fajt tartalmazó ún. színtenyészeteket hozatunk létre. Ha a közönséges agar táptalajhoz keverünk, véres agart, ha ezt felforraljuk, csokoládé-agart kapunk. Különleges igényű baktériumok tenyésztéséhez különböző anyagokat is bejuttathatunk a táptalajba.

17

A beoltott táptalajokat termosztátba helyezve, 37 ºC-on tartva néhány nap múlva már megjelennek a telepek, amelyek alkalmasak a további vizsgálatokra. Az állatoltás a faj meghatározása, a kórokozó képesség vizsgálatára alkalmazott módszer. Leggyakoribb kísérleti állatok a nyúl, a tengerimalac és az egér. A baktériumok megetetéssel, belélegeztetéssel vagy oltással (bőrbe, bőr alá, izomba, hasüregbe, vérbe, agyba) juttatják be a kísérleti állatba. A szerológiai vizsgálati módszerek a fertőzés hatására kialakult specifikus ellenanyagok (antitestek) segítségével mutatják ki a kórokozót. Legismertebb szerológiai antigén-antitest reakciók: az agglutináció, amikor az antigén sejten belül, az antitest a vérplazmában van, s a találkozásuk eredményeként a sejtek összetapadnak. A lízis esetében az antigén sejtben, az antitest folyadékban található, a reakció során a sejtek feloldódnak. A lízishez egy harmadik komponens, az ún. komplemet (friss vérsavóban lévő anyag) is szükséges. A precipitáció akkor következik be, ha az antigén is oldott állapotban van, és az antitest is. Ha kialakul a specifikus reakció, kicsapódást észlelhetünk. A festési eljárások közül a leggyakrabban alkalmazott a Gram-festés, amelyet már ismernek. A rendkívül sok egyéb módszer tárgyalása nem feladatunk. A baktériumok rendszere A baktériumok két nagy csoportra oszthatók. A szélsőséges viszonyokat (magas hőmérsékletet, magas sótartalmat, alacsony pH-érték) is elviselők az ősbaktériumok (Archebacteria), ide tartoznak a metántermelők, a szulfátredukálók, a fokozottan só- ill. hőtűrő fajok. A valódi baktériumok (Eubacteria) rendszerezése nehéz, a morfológiai különbségek kicsik, ezért fontosak a csoportosításnál az élettani sajátságaik, festődésük, mozgékonyságuk, stb. A besorolásuk a növényrendszertanból ismert kategóriák szerint történik. (tagozat, osztály, rend, család, nemzetség, faj). Rendszerük nem fejlődéstörténeti rendszer, hanem mesterséges felosztás. Napjainkban a Bergey-féle rendszerezés a legelterjedtebb, mi csak a gazdasági és egészségügyi szempontból legjelentősebb csoportokat tekintjük át. 1. csoport: Fototrof baktériumok Gram-negatív coccusok vagy bacilusok, fotoszintetizálnak O termelés nélkül. Vizekben, fény érte iszapban élnek. Leggyakoribb genusaik: Chlorobium, Chromatium, Thiocapsa, Rhodospirillum. 2. csoport: Csúszva mozgó baktériumok Szilárd felületen, a víz határhártyán csúszó mozgásra képesek. Gram-negatív szervezetek. A talajban és a vizekben intenzíven bontják a szerves anyagokat. Ide tartoznak a Myxococcus és Cytophaga fajok. 5. csoport: Spirochaeták Spirálisan csavarodottak, hosszirányú forgással mozognak. Legismertebbek a Treponema genus fajai: Treponema pallidum – a szifilisz (vérbaj) kórokozója, Tr. denticola, Tr. orale – szájban, fogakon találhatóak. Leptospira fajok: állati kórokozók, de az embert is fertőzhetik. Terjesztőik: patkányok, egerek, kutya, sertés, stb. A fertőzés lázzal, végtagfájdalmakkal, vérzékenységgel, sárgasággal járhat. 7. csoport: Gram - aerob pálcák vagy coccusok

18

Több légköri N-t kötő csoport tartozik ide, pl. az Azotobacter fajok, amelyek talajban, vizekben élnek vagy a pillangósvirágúak gyökérgümőiben található Rhizobium fajok. Kórokozók a Brucellák, amelyek a szarvasmarhák, sertések barcellozisát okozzák. A Bordatella pertussis a szemárköhögés kórokozója, a Francisella Tularensis a rágcsálók tularémia nevű betegségét okozza, ez az embert is megfertőzheti. 8. csoport: Gram – fakultatív anaerob pálcikák Ide tartoznak a bélcsatornánkban élő Escherichia coli, amely a B2 és K vitamin képzést is elősegíti. A vizek szennyezését a coli jelenléte jelzi. A bélcsatornából kikerülve súlyos hashártyagyulladást okoz. Salmonella typhi a hastífusz kórokozója. Fertőzött ételekkel tömeges megbetegedéseket okozhat. Terjedésében a kórokozót hordozó, de tünetmentes „bacilusgazdáknak” is fontos szerepe lehet. Shigella genus – a vérhas kórokozója. Yersinia pestis – a régebben egész Európában tömeges halálozást okozó pestisjárványok kórokozója. Vibrio cholerae – a kolerajárványokat okozó vibrio. 10. csoport: Gram - coccusok Aerob v. fakultatív aerob szervezetek. Ebbe a csoportba tartozik a szexuális úton terjedő leggyakoribb betegséget okozó Neisseria gonorrhae, a tripper (kankó) kórokozója. A Neisseria meningitidis fertőzés következménye az agyhártyagyulladás. 12. csoport: Gram - kemolitotrof baktériumok Fontos csoport a talaj N tartalmnak növelésében. Nitrobacteriaceae → nitrifikálók: NH3→NO3→NO. A Thiobacteriaceae genus a kénforgalomban játszik fontos szerepel: H2S → H2SO4 A vasbaktériumok működésének eredménye a vasércfelhalmozódás. 14. csoport: Gram + coccusok Egészségügyben fontos csoport, ide tartoznak a legelterjedtebb gennykeltők, gyulladást okozók. Staphylococcus genus. Streptococcus genus – tüdőgyulladás a következménye a Str. pneumoniae fertőzésnek. 15. csoport: Endospórás pálcák és coccusok Fontos talajlakó szervezetek, de vannak köztük mesterséges kórokozók is. A Bacillus thüringiensis a szúnyoglárva irtásban használható, környezetbarát technológiában alkalmazható. Bacillus anthracis – a lépfene kórokozója. A terroristák által is használt baktérium, amely a bőrt, tüdőt és bélcsatornát fertőzheti. Clostridium botulinum a leggyakoribb ételmérgezést okozó faj. Exotoxinja hányást, hasmenést okozhat, súlyosabb esetben leáll a légzés és szívműködés. A Clostridium tetani a tetanusz kórokozója. Anaerob, csak a mély szúrt vagy vágott sérülésekben szaporodik el. Exotoxinja az idegrendszerre hat, hiperszenzitivitást idéz elő, amely az izmok tartós összehúzódásához vezet. Amikor a merevgörcs kialakul, a beteg már menthetetlen. 16. csoport: Gram +, nem spórás pálcikák

19

Lactobacillus genus, tejsavas terjesztésben a legismertebb, amely fajait az ipar sokoldalúan felhasználja. 17. csoport: Sugárgombák Gram + társaság. Veszedelmes fertőzők, közülük egykor sok halálos áldozata volt a Corynebactrium difteriae-nak, a différia vagy torokgyík kórokozójának. A betegség során a halált elsősorban a torok, ill. gége nyálkahártya ödéma miatti fulladás okozta, de exotoxinja károsítja a szívizmot és az idegrendszert is. Ma a kötelező védőoltás eredményeként már nem lép fel a betegség. (Di-Per-Te oltás → diféria, pertussis (szamárköhögés) és tetanusz elleni kombinált vakcinálás.) Mycobacterium tuberkulozis vagy Koch-bacilus a TBC kórokozója. Napjainkban is fertőző, veszélyes mikróba. Mycobacterium leprae – a lepra, a bibliai bélpoklosság kórokozója, amely elsősorban a szubtrópusi – trópusi térségekben okoz megbetegedéseket. Stpeptomyces genus – antibiotikumot termelő fajaik is vannak. Fontos reducensek. 18. csoport: Rickettsiák Intracelluláris paraziták, átmenetet jelentenek a vírusok és a baktériumok között. Csak sejten belül szaporodnak. Coccusok, coccobacilusok vagy pálcika alakúak. A Rickettsia prowazeki a kiütéses tífusz kórokozója, az I. világháború után rengeteg áldozata volt. A ruhatetű révén fertőz, a tetvetlenített betegről nem terjed át egészséges emberre. Chlamidia trachomatis – a trachoma, vagyis a fertőző szemgyulladás kórokozója. A szemen kívül gyulladást okozhat a légzőszervek, az ivarszervek nyálkahártyáján is. Elsősorban a trópusokon fertőz. Chlamidia psittaci az ún. papagájkórt okozza, de a szárnyasokról átterjedhet az emberre. (Tüdőgyulladást, húgyúti gyulladást kelt.) 19. csoport: Mykoplazmák Membránnal határolt sejtfal nélküli Gram – lények. Csak elektronmikroszkóppal láthatók. Több kórokozó is van közöttük, pl. tüdőgyulladás, nyálkahártya gyulladásos betegségei, stb. Algák (Algae) A mikrobiológia csak a mikroszkópikus szervezetekkel foglalkozik (mintegy 35.000 faj). A régebbi felosztásuk szerint ide tartoznak a kékmoszatok (Cyanophyceae) is, újabban ezeket az egyszerű, prokariota, oxigént termelő fotoszintetizálókat a baktériumok közé sorolják Cyanobaktériumok néven. Az eukaryota fotoszintetizálóktól abban is különböznek, hogy a fényelnyelő pigmentek nem plasztiszokban vannak, hanem a citoplazmában helyezkednek el. (kromatoplazma). Egyesek felfogása szerint a szimbiózisra képes fajokból származik az eukariota növények kloroplasztisza, amely a velük endoszimbiozisban élő kékalgákból alakul ki. A fitoplankton fontos alkotórészei. Vannak egysejtű, soksejtű és fonalas telepeket alkotó fajaik. Eutrof vizekben gyorsan elszaporodnak, főként az Anacystis és Anabaena fajok. Az eukariota algák törzsei a rendszertanból ismertek. Közülük sok faj mikroszkópikus méretű, de vannak óriás telepeket fejlesztők is (Phaeophyta). Szinte kizárólag víziek, a legfőbb planktonalkotók. A vízi táplálékláncban meghatározók, mint legfontosabb producensek. Az eutrof vizekben gyors elszaporodásukkal vízvirágzást okozhatnak. Gombák

20

A baktériumok mellett meghatározóak az anyag körforgásában, mint reducensek. (Ld. ökológia). Növény- és állategészségügyi szerepe elsősorban a parazitáknak van, fontosak mint kórokozók és gyógyszeripari alapanyagok, erjesztők. Mycophyta (Valódi gombák) Morfológiájuk a rendszertanból ismert, itt elsősorban a mikroorganizmusok közé tartozókat említjük. Archimicetes – ősgombák Nincs micéliumuk, testük csupasz plazma. Növényi kórokozók, mint a káposzta tőfekély, burgonyarák, káposzta gyökérgolyva. Phycomycetes (Moszatgombák) Fejlett a micélium. Az élősködők komoly gazdasági károkat okozhatnak, pl.: a peronoszpóra, fejespenészek. Mucor rouxii – erjesztő faj. Keményítőből szőlőcukrot, ebből alkoholt készít. Ascomycetes (Tömlőgombák) Micéliumuk van, kivételek az egysejtű élesztőgombák. Sejtfaluk kitin, kivéve az élesztőket. Élesztők – Saccharomyces család. Szaporodásuk sarjadzás vagy osztódás lehet. Sarjadzás ideális körülmények között 20-30 percenként. Spóraképzés – a sejt aszkusszá alakul, ebben keletkeznek az aszkospórák. Alakjuk gömb, lapított gömb, hengeres. A sejt zsírt tartalmaz. Zimáz enzimmel idézik elő az alkoholos erjesztést. Az alkoholtartalommal 5% felett leállítja a szaporodást. A természetben mindenütt elterjedtek, gyümölcsök erjedését ezek okozzák. A csoport az ún. „vadélesztők”, amelyek a bor előállítását zavarhatják, rontják a minőségét. (Pl.: Sacchoromyces ambidans). Fajaik: Schizosaccharomyces pombe – kölessör készítésekor van szerepe. Saccharomyces ellipszoideus – borélesztő Saccharomyces cerevisiae – sörélesztő S. sake – japán rízsből készült ital (előállításánál van szerepe). A borélesztők tájegységenként változnak, ez a háttere az egyes borvidékeken termelt borok speciális tulajdonságainak. Az élesztők lehetnek takarmányok, a sütőiparban rendszeresen használják őket, fehérjéik megfelelnek az állati fehérjéknek. Penicillium genus – antibiotikumot termel, sajtgyártásban (rokfort) is használják a Penicillium fajokat. A Perisporales – lisztharmatgombák – veszélyes élősködők, vadon élő és termesztett növényeket egyaránt károsítanak. Az Aspergillus fajok → fekete penész néven ismertek, élelmiszereken elterjedtek. Basidiomycetes (bazidiumos gombák) Szerepük: - mykorrhiza alkotásban meghatározó (lásd: ökológia) - értékes élelmiszerek lehetnek a különböző, fejlett termőtestű fajok. Élősködők az üszög- és rozsdagombák. Az emberi kórokozók felosztása: Bőr, köröm betegségek: candidiasis, haj gombás betegségei: dermatomycosis, köröm, láb bőrén: epidermatophytia. Protozoa

21

15.000 mikroszkópikus állatot ismerünk. Általában víziek, a talajban a talajvízhez kötöttek. Emberi és állati paraziták is vannak közöttük. Jellegzetes tulajdonságuk a cysta képzés, amely a baktériumspórához hasonló túlélő forma. Szaporodásuk során sokszor a fejlődés egy szakasza ún. köztes gazda szervezetben játszódik le. Pl.: az álomkór köztes gazdája a cecelégy, a malária köztes gazdája a malária szúnyog (Anapheles genus) A protozsa fertőzés lehetséges: - szájon át - fürdővízzel - rovarátoltással - közvetlen érintkezéssel (pl.: Trichomonas). Bélprotozoonok - Entamöba histolitica (Rhizopoda) → vérhas amőba az ún. trópusi vérhas kórokozója. Vastagbél nyálkatárgyán élősködik, betegség tünetei a fekélyesedés, a véres széklet. - Girardia lamblia (Flagellata): A patkóbél, az éhbél nyálkahártyáján élősködik. Akadályozza a tápanyagok felszívódását. Egyéb, testüregben élősködők - Trichomonas vaginalis a hüvely nyálkahártyán élősködik, gyulladást okoz. Vérben élősködők: - Trypanosoma gambiense – az álomkór kórokozója. Krónikus máj, lép, nyirokcsomó duzzadás jellemzi a betegséget. Terjesztője a cecelégy (Glossina palpalis). - A Plazmodiumok – a malária kórokozói, az ún. lázállatkák (Sporozoa): Évente 150200 millió ember betegszik meg a világon maláriában. Elterjedését megszabja, hogy a terjesztő szúnyog csak 15-16 ºC felett szaporodik. 1956 óta nálunk nincs friss fertőzés. Legismertebb fajaik a Plasmodium vivax – harmadnapos malária Pl. malariae – negyednapos malária Pl. falcipasum – trópusi malária, ez a legrosszabb indulatú. Szaporodásuk: Az ivartalan alak a vörösvértestekben találhatók (ezek az alakok nem fertőzik a szúnyogokat). Az ivaros alakok: a vörösvértestekben alakulna ki, ez az embert nem fertőzi, csak a szúnyogokat, az ivaros ciklus a szúnyogban játszódik le. Toxoplasma gondii – a RES, az idegrendszer, az emésztőrendszer és tüdő betegségeit okozhatja. Egerek terjesztik. Mikroszervezetek kapcsolatai A mikróbák együttélésének több lehetősége van. Ezek a következő típusokra oszthatóak: metabiozis – az egyik faj életműködése elősegíti a másik faj működését, fejlődését. Ez a kapcsolat fontos a talajéletben, pl. ilyen a nitrifikálók (NH3-NO2--NO3-) vagy a cellulozbontók működése. antibiozis – a kapcsolat ismert. Felhasználható a mezőgazdaságban, gyógyászatban. szimbiozis – kölcsönösen előnyös mindkét mikroszervezet számára a kapcsolat. Lehetséges változatok: ƒ Baktérium-baktérium között: pl. Clostridium dissolvens+nitrifikálók. ƒ Baktérium és magasabbrendűek gyökérzete között: pl. pillangósvirágúak és a Rhizobium fajok.

22

-

ƒ Gomba és alga kapcsolata a zuzmókban ƒ Gombafonalak és gyökerek között a mykorrhiza ƒ Állatok és mikrobák kapcsolata a bélcsatornában (bélflóra). Parazitizmus (élősködés) az egyik legelterjedtebb kapcsolat mikrobák és magasabbrendűek között. A növények legfőbb parazitái a gombák, amelyek a pektin feloldásával, az edénynyalábok elzárásával, tumorképződés elősegítésével, helyi szövetfeloldással stb. károsíthatnak.

A fertőzés sérüléseken, sztómákon keresztül történhet, de a gomba behatolhat a virágon, gyökéren keresztül is. A gombák lehetnek endo- és ektoparaziták. Előfordul a gazdacserés parazitizmus, mint pl. a fekete rozsda (Puccinia graminis) esetében, ahol a gomba egy fejlődési szakasza a sóskaborbolyán (Berberis vulgaris) megy végbe. A gombás fertőzések ellen a növény több természetes úton módon védekezik, pl. a morfológiai szerkezet akadályozza a fertőzést, vagy védőszövettel veszi körül a kórokozót, fungicid anyagokat (fitoncid) termel, de kialakulhat a faji rezisztencia is. A növények vírus fertőzései változatos formái alakultak ki. A vírus behatolása lehetséges sebzéseken, stómákon keresztül, víz révén és lehet közvetítő a pollen is. Az állatok és ember parazitái okozta fertőzést meghatározza a kórokozó vírulenciája, a fertőzés masszívitása (mennyi kórokozó jut be a szervezetbe), a gazdaszervezet fizikai állapota (a legyengült egyed könnyebben fertőződik) és rezisztenciája. A fertőzés lehet közvetlen (veszettség, nemi betegségek, stb.), illetve közvetett (cseppfertőzés, rovarközvetítés, stb.) A kórokozók elleni védettség lehet veleszületett, faji védettség, illetve szervett, amikor a szervezetbe jutott kórokozó ellen ellenanyag (antitoxin) termelődik, amely specifikusan reagál a toxikus fehérjékkel és közömbösíti azokat. A baktériumok toxinjai lehetnek exotoxinok (mérgező anyagcseretermékek) vagy endotoxinok vagyis a baktériumok vagy a tok anyagai. A bakteriális fertőzés ellen Jenner óta a mesterséges immunizálással védekezhetünk. Ennek egyik módja a vaccinálás, amikor élő legyengített, vagy elölt kórokozóval, exotoxinnal a szervezetet késztetjük ellenanyag termelésre. A fertőzés gyanúja esetén szérumot (kész ellenanyagot, használnak a védekezésre, amely a szervezet immunrendszere által termelődő antitoxin kialakulásáig akadályozza a kórokozó elszaporodását. Mikrobák a talajban A talaj a legjobb biotop a mikroorganizmusok számára, működésük meghatározza a magasabbrendű élőlények létezését. A talajba kerülő szerves anyagok lebontása mikrobiális folyamat (reducensek), amely az anyagok körforgásának fontos fázisa, mert ez biztosítja a talaj termőképességét. A mikroszervezetek tevékenységét a klíma, a nedvességtartalom és a pH érték határozza meg. (Ls.: ökológia, talajvédelem). A talajban lévő mikroszervezetek számának meghatározására több eljárást dolgoztak ki, de az eredmények vitathatóak. A csíraszám lefelé haladva csökken, az O2 hiánya miatt fokozatosan növekszik az anaerobok aránya. 1 g. talajban megtalálható: - 100 millió baktérium - 16 millió sugárgomba - 100.000 gomba

23

- 10.000 állati egysejtű kb. 50-1000 alga A mikróbák száma évszakos ingadozást mutat, maximális csíraszám tavasz végén és ősszel alakul ki. A trágyázás növeli a mikroorganizmusok számát, elsősorban a termofilekét. A természetes talajoknál meghatározóak a magasabbrendű növények társulásai, pl.: más a mikrobaközössége a fenyvesnek, a lomboserdőnek, a gyepnek. A pH érték döntő jelentőségű a fajösszetétel alakulásában. Savanyú talajokban a gombák aránya 33-70% között lehet, neutrális talajokban csak 2,7%, itt dominálnak a baktériumok, a lúgos talajokban még szembetűnőbb ez a dominancia, mert itt a mikrobáknak mindössze 0,7%-a gomba. A talaj mikroflórájának szerepe egyes elemek körforgásában A C körforgása a talajban A szén tartalmú szerves vegyületek közül legnagyobb tömegben cellulóz kerül a talajba. Lebontása aerob és anaerob úton egyaránt lehetséges. Anaerob lebontás eredményeként vajsav, ecetsav, CH4, H2, CO2 keletkezhet. Legfontosabb cellulózbontók a Bacillus cellulosae hydrogenicus és a Bacillus cellulosae methanicus. Ma a két fajt közös néven – Clostridium omelianski – említik, Omeljanszkij orosz tudós tiszteletére. Magasabb hőmérsékleten a Clostridium dissolvens hasítja a cellulózt. Aerob körülmények között a Cytophaga, Cellvibrio és Cellfalcicula genusok fajai bontják a növényi sejtfal anyagát. A folyamat tisztázásában Vinogradszkijnak volt úttörő szerepe. Vannak a gombák között is aerob cellulózbontók. Az ún. farontó gombák erre a folyamatra a talajon kívül is képesek. A pektin a növényi sejteket „összeragasztó” anyag. A talajban és a vizekben is élnek olyan baktériumok, amelyek képesek lebontani, mint a Clostridium butyricum és a Bacillus subtilis. Működésüket évszázadokon keresztül a kenderáztatáskor használták fel. A fertőző gombák is bontják a pektint, ennek révén tudnak behatolni a növénybe. (Pl.: az Erwinia carotovora). A cellulóz hidrolízisekor keletkezett szerves vegyületeket más mikroszervezetek tovább hasítják egészen az alapvegyületekig. (CO2, H2O). Oxigén hiány és alacsony pH mellett korlátozott a lebontás, hosszú időn át és nagy nyomás alatt így keletkeztek a kőszéntelepek. A N körforgása a talajban Az ökológiában említetteket a következő részletekkel egészíthetjük ki. A levegő nitrogénjét az Azotobacter és a Rhizobium fajok képesek megkötni. Az utóbbiak a pillangósvirágúak gyökerében gümőképzést indítanak meg, ezekben a gümőkben élő baktériumok szerves anyagaikat a növénytől kapják. A nitrogénkötők számára a 25 ºC az optimális hőmérséklet. Ami érdekességük, hogy szabadon nem képesek a nitrogénkötésre, csak szimbiózisban, míg az Azotobacter fajok ezt önállóan, nem szimbiózisban teszik. A talaj legfőbb nitrogénforrása a szerves anyagok lebomlásakor keletkező NH3, amelyet a nitrifikáló baktériumok (Nitrosomonas, Nitrospira, stb.) oxidálnak nitritté, ezt a nitritoxidálók (Nitrobacter, Nitrospira, stb.) fajok nitrátokká alakítják. Foszforciklus a talajban A foszfor nélkülözhetetlen a membránok felépítésében, fontos alkotóeleme az ATP-nek, a nukleinsavaknak. Az élőlényeknek a szénnél és nitrogénnél kevesebb foszforra van szüksége.

24

A talajban mindössze 400-1200 mg/kg a P mennyisége, de ebből csupán 5% hozzáférhető a növények számára. A vizekben 0,01-0,07 mg/l az átlagos foszfortartalom, az eutrof vizekben ennek többszöröse is előfordulhat. A foszfor körforgása az ún. üledékes fázishoz tartozik, vagyis nincs légköri szakasza. A növények ionos állapotban veszik fel. A ciklus vázlata: állatok ↑ növények ↓ ↑ ↓ PO43- ← mikrobiális lebontás ↑ ↓ 3Mállás PO4 felhalmozódás a talajban, üledékekben A talaj mikrobáinak fontos szerepe van a toxikus vegyületek közömbösítésében. A Hg molekulákkal szemben pl. a plazmidok révén kialakulhat a rezisztencia, a sejtek tiolokat szintetizálnak, amelyek megkötik a higanyt, így csökken a toxicitás. Az édesvizek mikrobiológiája A fejezet több ponton is kapcsolódik az ökológiában már tanultakhoz, a hangsúlyt itt a vízben élő mikrobákra helyezzük, de elkerülhetetlenek bizonyos ismétlődések. A víz az egyetlen olyan vegyület, amely természetes körülmények között is mindhárom halmazállapotban előfordul. A legnagyobb kiterjedésű geoszféra, a földi vízkészlet 97,3 %-a az óceánokban, 2,1 %-a fagyott édesvíz formájában (hó, jég) és csak 0,6 %-a fordul elő egyéb édesvízként (vízgőz, talajvíz, stb.). Jellemző az állandó körforgás, amelynek a napenergia és a gravitáció a mozgatója. Az atmoszférába kerülő (elpárologtatott) víz egy év alatt 32-szer fordul meg a körforgás során. A légkörbe kerülés gyors folyamat, az evapotranspirációban a víz 70%-a vesz részt, a vízfolyások 27%-ot juttatnak az atmoszférába a talajvíz lassú körforgásban van. Nem vesz részt a körforgásban a kőzetekben lévő, kémiailag kötött víz. A víz körforgása az élővilágtól függetlenül is lejátszódik, de az élethez nélkülözhetetlen (hőszabályozás, csapadék szerepe, stb.) Az elemek globális körforgása is kapcsolódik hozzá, hiszen az ásványi anyagokat csak vízben oldódva tudják felvenni a növények. A víz mikrobaközösségei Mint az ökológiában már említettük, a vízi biotopok nagyon eltérőek, más miliő a forrás, a folyó, a tó, a mocsár vagy a talajvíz. Sok tekintetben – hőmérséklet, ásványi anyagok, áramlás, hordalék, megvilágítás, pH - mutatkozik különbség a különféle vízterek között. A folyóvizekben nincs hőrétegzettség, a fényviszonyok a lebegtetett hordalék miatt rosszabbak, mint a tavakban, ezért planktonban szegényebbek. Ott, ahol a folyót mellékágak kísérik, mint pl. a Szigetközben, a planktonszervezetek a lassú folyású, jobban megvilágított, melegebb ágak vizében szaporodnak és az áradások alkalmával innen jutnak a főágba. A fitoplankton legfőbb alkotói az algák, amelyek a fény által átvilágított vízrétegben élnek. A fény mellett az algák számára fontos limitáló tényezők a szervetlen anyagok.

25

A vizek algaegyüttese asszociációnak tekinthető, alkotói a barna- és vörösmoszatok kivételével az összes algatörzs. Magyarországon a Dunában közel 730 algafaj él, ebből kovamoszat 340 faj zöldmoszat 224 faj kékalga 89 faj ostorosmoszat 30 faj sárgásmoszat 25 faj barázdásmoszat 19 faj Mint látjuk, a leggyakoribbak a kovamoszatok, ezek alkotják a társulás fajainak 50%-át, de vannak vizek, ahol 90 %-át. A zöldalgák koratavasszal, nyár elején gyakoriak, a kékalgák késő nyáron, kora ősszel, a kovamoszatok ősz végén, télen dominálnak.

7. ábra. Fitoplankton algák A=Aphanizomenon flos-aquae, B=Microcystis flos-aquae; Ostoros algák, C=Chroomonas acuta, D=Ceratium hirundinella, E=Phacus caudatus,

26

F=Euglena viridis, Kovamoszat; G=Cyclotella meneghiniana

A baktériumok mennyisége nagyon különböző ugyanabban a vízben is évszakoktól függően. A baktériumplankton az állóvizekben gyakoribb, ezért részletesen ott tárgyaljuk. A zooplanktont alkotó élőlények közül a leggyakoribbak a gyökérlábúak (



60 faj), a



csillósok ( 64 faj), a kerekesférgek, alsóbbrendű rákok. A számukat az abiotikus faktorok határozzák meg. Ritkábban fordulnak elő más csoportok képviselői a zooplanktonban, ilyenek a rovarlárvák, kagylólárvák vagy az édesvízi medúza. A mélyebb tavakban tavasszal és nyáron kialakul a hőrétegzettség, amely ősszel és télen megszűnik, az álló vízből kiülepedik a lebegtetett hordalék durvább frakciója, ezért jobb az átvilágítottság, az áramlás lassú vagy nincs. A víz felső rétegében (epilimnion) a zooplankton, illetve a baktériumok a gyakoribbak. A tápanyagban gazdag tavakban a hypolimnionban az intenzív oxigénfogyasztás miatt anaerob viszonyok alakulhatnak, ilyenkor előfordul a SH2 termelés. A hőmérséklettől függően csoportosíthatjuk a tavak planktonszervezeteit: - alacsony hőt kedvelők: -10 - +30 ºC között szaporodnak - közepes hőmérsékletet kedvelők (mezofilek): +10 - +50 ºC között szaporodnak - magas hőt kedvelők (termofilek): +25 - +90 ºC között szaporodnak. A víz zavarosságát a szeszton (mikrohordalék) okozza, amely alatt a lebegő vagy úszó mikroszkópikus méretű szerves vagy szervetlen anyagokat értjük. A zavarosság jelentősége a túlzott fény elleni védelemben is fontos, amellett baktériumtáplálék, adszorbeálja a mérgező anyagokat, a baktériumoknak aljzatot jelent és tápanyagokat adszorbeálja. A tavak mikroszervezetei lehetnek a plankton részei, megtalálhatók a bentoszban, a neusztonban és a biotektonban. A baktériumok közül uralkodóak a Gram-negatív fajok. Jellemző genusok: Streptomyces Cytophaga Micrococcus Pseudomonas Sarcina Bacillus Nitrobacter, stb. A víz szennyezettségét jelzi az Escherichia coli és az Aerobacter cloacae jelenléte. A megvilágított zónában fotoszintetizálók is megtalálhatók. A baktériumok előfordulása nem egyenletes, tavasszal és ősz elején legnagyobb a számuk. (Oligotrof vizekben pl. 50-200.000 bakt./ml.) Az algák csak a fény által átvilágított rétegben élnek, a tavakban is megtalálható az összes édesvízi törzs képviselője. Limitáló tényező a fény mellett a hőmérséklet és a tápanyag. Kedvező körülmények között az eutrof vizekben ugrásszerűen nőhet az algák száma. (Rstrategista életvitel). A jelenség a vízvirágzás vagy algainvázió. Erről csak akkor beszélünk, ha a vízben felszaporodott algatömeg a víz felszínén lepedéket alkot és elszíneződést (zöld, kékeszöld, vörösesbarna, az algafajoktól függően) okoz, vagyis a neusztonban élő szervezetek okozzák.

27

8. ábra. Fitoplankton algák Zöldalgák: H=Scenedesmus quadricauda, I= Scenedesmusecornis, J=Oocyctis lacustris, K=Tetraedron minimum, L=Ankistrodesmus angustus

Eredménye az autrofizáció, amely nem más, mint az erősen felgyorsult tápanyag-forgalom, vagyis egyes elemek nem jutnak végig a táplálékláncon, mert az algák által termelt nagytömegű szerves anyagot a primer konzumensek nem képesek mind felhasználni, ez a szerves tömeg gyorsan lebomlik és a tápanyagok ismét visszakerülnek a vízbe, ahol újabb szerves tömeg keletkezik. A folyamat eredménye a fokozódó feltöltődés, az állóvizek „elöregedése.” Az algák elszaporodásában meghatározó a P és N, kovamoszatok esetében a Si. Befolyásoló tényező a kompetíció, de ahhoz, hogy egyik faj kiszorítsa a másikat, hosszú ideig stabil környezeti állapot kell. Az össztényezők szuboptimális, optimális és szuperoptimális helyzetet teremthetnek. A szuboptimum nem okoz pusztulást, csak fékezi a szaporodást, a szuperoptimumban károsodást okozó tényezők is jelentkezhetnek, pl. a hőmérsékletemelkedés megsemmisíti a hidegkedvelő fajokat. Az algainvázió kialakulását akadályozhatja a zooplankton és egyes planktonfogyasztó halak (pl. busa) „legelése”, ez a fitoplankton számának erőteljes csökkenéséhez vezet. Azt láthatjuk ebből a rövid áttekintésből is, hogy a vízi életközösségben rendkívül bonyolult kölcsönhatások működnek, pl. a fitoplankton alakulását befolyásolhatja a makrovegetáció a tápanyagok tartós kivonásával, ill. az árnyékolással. Az algainvázió következményei Negatív hatások: - csökken a víz tápanyagtartalma - önárnyékolás miatt kedvezőtlen fényviszonyok alakulnak ki

28

-

oxigénhiány lép fel, előtérbe kerülnek az anaerob folyamatok, SH2 keletkezik, a következmény halpusztulás lehet. Az algák pusztulása során mérgező bomlástermékek szabadulnak fel, a halikrák elpusztulnak.

Az algainvázió indikátor szerepe abban mutatkozik, hogy jelzi az eutrof állapotot. A zooplanktonban ugyanazok a fajok fordulnak elő, mint amelyeket a folyóvizekben említettünk, csak az egyes csoportok arányai mások. Kiemelkedő a szerepük a halivadék számára, amelynek legfőbb táplálékai. Különösen fontosak a kerekesférgek (Rotatoria) és az alsórendű rákok (Cladocera, Copepoda). A zooplankton a vizek öntisztuló képességét is meghatározza. Ez azt jelenti, hogy az organikus anyagokat a mikroszervezetek gyorsan lebontják, ha a szervesanyag mennyisége csökken, a baktériumok „éhenhalnak”. Az öntisztulásban a magasabbrendű szervezeteknek is szerepe van, pl. egyes fémvegyületeket képesek kivonni a vízből. (Mg, Cu, Kv, Hg, Ni, Va).

9. ábra. Planktonikus kerekesférgek (A-B) és kisrákok (C-F) A=Brachionus urceolaris (Müller) (h=150-250 µm). B=Keratella cochlearis (Gosse) (h=150-200 µm). C=Daphnia magna Straus (h=2-6mm). D=Leptodora

29

Kindtii Focke (h=10-18 mm). E=Cyclops vicinus Ulj. (h=1-2 mm). F=Eudiaptomus graciloides Lilljeborg (h=1, 2-1, 3 mm).

A szennyvizek tisztításának biológiai fázisában baktériumok vesznek részt, az ún. aktivált iszap mikroorganizmusai a Zoogleák, az Escherichia fajok, Enterobacter fajok, a Pseudomonas genus képviselői. (Részletesen megismerték a vízvédelem tantárgy keretén belül.) A mikrobák szerepe az iparban és mezőgazdaságban Az erjesztőkről az általános mykologiában már szóltunk. Az iparban, mezőgazdaságban, élelmiszeriparban leggyakrabban az élesztőgombák (Saccharomyces) által előidézett alkoholos erjedést használják fel. (Ipari szeszgyártás, borászat, kenyérgyártás, stb.) A folyamat már biológiából ismert, csak rövid emlékeztetőül tekintsük át ismét: Glükolízis

Karboxiláz enzim alkohol dehidrogenáz → CH3 → CHO + CO2 → CH3 | | NADH2 | CO CH3 CH2OH | acetaldehid etilalkohol COOH piroszőlősav

Alkohol erjedést a Saccharomices genuson kívül az Aspergillus genus fajai is előidézhetnek. A tejsavas erjedés során a tejsavbaktériumok tejsavat termelnek, amelynek fontos szerepe van a konzerválásban, a mezőgazdaságban, a sajtgyártásban. A kémiai folyamat ismert, kiindulópont a piroszőlősav. CH3 | tejsav dehidrogenáz CO → | 2H COOH

CH3 | CHOH | COOH tejsav

A tejsav koncentráció 2%-ánál leáll a folyamat. Leggyakoribb tejsavas erjesztők a Streptococcus lactis és a Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus casei, stb. A tejsavas erjedés felhasználásával készül a kefír, a joghurt, a sajtok. A Rocquefort sajt speciális kékes színe a Penicillium roqueforti penészgombának köszönhető. A savanyú káposzta, kovászos uborka készítésénél is tejsavas erjesztők működnek közre. A silózás már az ókori Egyiptomban is alkalmazott eljárás volt. Európában a XIX. századtól ismert, a XX. században terjedt el. A tejsav konzerváló hatására megmaradnak a zöld növények értékes tápanyagai és egyébként nem hasznosítható növények is alkalmassá tehetik takarmányozásra. Változatos baktériumcsoport működésének eredménye a hosszú ideig jól tárolható siló kialakulása. (Pediococcus, Lactobacillus, Streptococcus genus.) Ha nem elég

30

savanyú a pH, vajsavas erjedés is megindul, ekkor a siló használhatatlan lesz. (A vajsav büdös). A cukorminimum alapján könnyen silózható a kukorica, a csicsóka, a napraforgó, nehezen a lucerna és somkóró és egyáltalán nem a lednek, a paradicsom és a szója. A propionsavas erjedés során tejsavból, szénhidrátokból, alkoholból propionsav (CH3CH2COOH) keletkezik. A Propionibacterium frendenreichii elterjedt a tejtermékekben, a talajban, de megtalálható a kérődzők gyomrában is. A Clostridium propionicum működése okozza az ementáli sajt lyukacsosságát, mert a propionsav keletkezésekor CO2 szabadul fel. A vajsavas erjesztők anaerob spórás baktériumok, ide tartozik a Clostridium butyricum, a Clostridium pasteurianum, a Clostridium acetobutylicum. A folyamat, amely öt részletben zajlik le, összegző képlete a következő: C6H12O6 → CH3-CH2-CH2-COOH+2CO2+2H2+18kal. vajsav A vajsav mellett más melléktermékek is keletkeznek, mint tejsav, ecetsav, aceton, butilalkohol. A vajsavas erjesztőknek szerepe van a pektin lebontásában, a festékgyártásban (a butanol a nitrocelluloz festékek oldószere) a robbanószerek gyártásában. Anaerob és aerob ecetsavas erjedés Az anaerob Clostridiumok működése során valódi erjedéssel is keletkezik ecetsav CH3 | CO + 2H2O → 2CH3COOH + 2H2 + 2CO2 | ecetsav COOH A gyakorlatban fontosabb az oxidatív fermentációs ecetsavgyártás, amely során különböző baktériumok működnek. A folyamat mindig lezajlik, ha híg alkoholos oldatot levegőn hagyunk. Az Acetobacter aceti 11%-os koncentrációjú alkoholos oldatban is képes erjeszteni 30 ºC-os hőmérsékleten. A Bacterium orleanense a gyenge borok ecetesedését okozza. A gyakorlati ecetgyártás egyrészt borból (francia eljárás) másrészt alkohol hígvizes oldatát bükkfaforgácson lecsorgatva állítja elő az ecetsavat. Ez utóbbi eljárásnál a Bacterium schützenbachii működik közre.

31

Irodalom 1. Alföldi-Ivanovics-Rauss: Orvosi mikrobiológia. Medicina Kiadó, Bp., 1963. 2. Bernolák Kálmán (szerk.): A mikroszkóp, Műszaki Könyvkiadó, 1979. 3. Horváth János: Mikrobiológia. Mezőgazdaság Kiadó, Bp., 1964. 4. Horváth Sándor: Mikrobiológiai praktikum Tankönyvkiadó, Bp., 1980. 5. Hubert, A. – Lechevaliev: A mikrobiológia három évszázada, Gondolat Kiadó, Bp., 1971. 6. Nyerges Gábor: Mikrobiológia és immunitástan. Medicina Kiadó, Bp., 1959. 7. Pesti Miklós (szerk.): Általános mikrobiológia. Dialóg Campus Kiadó, Bp., Pécs, 2001. 8. Szabó István Mihály: A bioszféra mikrobiológiája. Akadémia Kiadó, Bp., 1992.

32