Transcript

1 1

2 Σχ Φυλογενετικό δέντρο κυριότερων φύλων βακτηρίων βασισμένο σε συγκρίσεις αλληλουχίας rrna 16S. 2

3 Φύλο 1. Πρωτεοβακτήρια Είναι όλοι Gram (-) και παρουσιάζουν ευρύτατη μεταβολική ποικιλομορφία. Περιλαμβάνουν 5 ομάδες (α, β, γ, δ και ε). Από πλευράς φυσιολογίας είναι είτε φωτότροφα, φ, είτε χημειολιθότροφα,, είτε χημειοοργανότροφα. Πορφυρά φωτοτροφικά βακτήρια Σημαντικά γένη: Chromatium, Ectothiorhodospira, Rhodobacter, Rhodospirillum Εκτελούν μη οξυγονοπαραγωγική φωτοσύνθεση (δεν χρησιμοποιούν Ο 2 ). Περιέχουν χρωστικές χλωροφύλλης (βακτηριοχλωροφύλλες)) και ποικιλία καροτενοειδών χρωστικών που τους δίνουν τα θεαματικά χρώματα (κόκκινο, πορφυρό ή καστανό). Συνθέτουν ενδοκυτταροπλασματικά φωτοσυνθετικά συστήματα μεμβρανών στα οποία γίνεται η ένθεση των χρωστικών. Οι μεμβράνες προέρχονται από εγκολπώσεις της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. Οι εσωτερικές μεμβράνες επιτρέπουν στα πορφυρά βακτήρια να αυξάνουν την περιεκτικότητά τους στις χρωστικές σε συνθήκες φωτός χαμηλής έντασης. 3

4 Πορφυρά θειοβακτήρια Χρησιμοποιούν Η 2 S ως δότη ηλεκτρονίων για την αναγωγή του CO 2. To H 2 S οξειδώνεται προς στοιχειακό S, το οποίο αποθηκεύεται σε σφαιρίδια στο εσωτερικό των κυττάρων. Στη συνέχεια, το S οξειδώνεται περαιτέρω προς SO 2-4. Πολλά πορφυρά ρ βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν και άλλες ανηγμένες μορφές θείου, όπως S 2 O 2-3. Όλα τα πορφυρά θειοβακτήρια που είναι γνωστά μέχρι στιγμής ανήκουν στην ομάδα γ-πρωτεοβακτηρίων. Τα πορφυρά θειοβακτήρια απαντώνται γενικά σε φωτεινές μη οξυγονοπαραγωγικές ζώνες λιμνών και σε «θειούχες» πηγές. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα γένη Ectothiorhodospira και Halorhodospira γιατί το S συσσωρεύεται έξω από το κύτταρο και γιατί είναι ακραία αλόφιλα. Πορφυρά μη θειικά βακτήρια Ονομάστηκαν «μη θειικά» γιατί αρχικά πιστευόταν ότι δεν μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν θείο ως ηλεκτρονιοδότη η για την αναγωγή γή του CO 2. 4

5 Παρόλ αυτά, το θείο είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί από τα περισσότερα είδη, αν και επίπεδα θείου που χρησιμοποιούνται από τα πορφυρά θειοβακτήρια είναι τοξικά για τα πορφυρά μη θειικά. Ορισμένα είδη μπορούν να αναπτυχθούν στο σκοτάδι αναερόβια, εκτελώντας είτε ζύμωση, είτε αναερόβια αναπνοή, ενώ τα περισσότερα αναπτύσσονται στο σκοτάδι με αερόβιο μεταβολισμό. Υπό αερόβιες συνθήκες, δότης ηλεκτρονίων είναι μια οργανική ένωση ή σε μρ μερικά είδη κάποια ανόργανη ουσία (π.χ. Η 2 ). Πάντως, χαρακτηριστική ικανότητα αυτής της ομάδας είναι η φωτοετεροτροφία. Πολλά είδη μπορούν να αναπτύσσονται φωτοαυτοτροφικά με CO 2 + H 2, ή CO 2 + χαμηλά επίπεδα H 2 S. Σχεδόν όλα τα πορφυρά μη θεικά βακτήρια μπορούν να δεσμεύσουν Ν 2. Καθήλωση του αζώτου είναι η μετατροπή του μοριακού αζώτου σε αμμωνία. Τα συστήματα καθήλωσης του αζώτου είναι ευαίσθητα σε χαμηλές συγκεντρώσεις Ο 2 (οδηγεί σε μη αντιστρεπτή αδρανοποίηση) και χρειάζονται συνεχή τροφοδότηση με ΑΤΡ, καθώς η αζωτάση παρεμποδίζεται από υψηλές συγκεντρώσεις ΑΤΡ. Όλα τα πορφυρά μη θειικά βακτήρια που είναι γνωστά μέχρι στιγμής ανήκουν στα α ή β-πρωτεοβακτήρια. 5

6 Νιτροποιητικά βακτήρια Σημαντικά γένη: Nitrosomonas, Nitrobacter Χρησιμοποιούν ανόργανους ηλεκτρονιοδότες ως πηγές ενέργειας. Τα περισσότερα είδη έχουν την ικανότητα αυτότροφης ανάπτυξης (κοινό με τα φωτοτροφικά βακτήρια). Τα βακτήρια που μπορούν να αναπτύσσονται ως χημειολιθότροφα προσλαμβάνοντας ενέργεια από ανηγμένες ανόργανες ενώσεις ονομάζονται νιτροποιητικά. εν γνωρίζουμε κανένα χημειολιθότροφο που να εκτελεί ολοκληρωμένα την οξείδωση της αμμωνίας προς νιτρικό. Συνεπώς, η νιτροποίηση στη φύση είναι αποτέλεσμα διαδοχικής δράσης δύο ξεχωριστών ομάδων μικροοργανισμών: 1. Των νιτροζοποιητικών (π.χ. Nitrosomonas) βακτηρίων που οξειδώνουν την αμμωνία προς νιτρώδη, και 2. Των νιτροποιητικών (π.χ. Nitrobacter) βακτηρίων που οξειδώνουν τα νιτρώδη προς νιτρικά. 6

7 Πολλά είδη νιτροποιητικών βακτηρίων διαθέτουν πολύπλοκα συστήματα εσωτερικών μεμβρανών (παρόμοια με αυτά των πορφυρών φωτοτροφικών βακτηρίων). Στις μεμβράνες βρίσκεται το ένζυμο μονοοξυγονάση της αμμωνίας. Νιτροζοποιητικά βακτήρια ΝΗ 3 + 1/2Ο 2 ΝΗ 2 ΟΗ (22) ΝΗ 2 ΟΗ + Ο 2 ΝΟ 2 + Η + + Η 2 Ο (23) Συνολικά: ΝΗ 3 + 3/2Ο 2 ΝΟ 2 + Η 2 Ο + Η + (24) Go o = -275 kj/αντίδραση Νιτροποιητικά βακτήρια ΝΟ 2 + 1/2Ο 2 ΝΟ 3 (25) Gο = -74,1 kj/αντίδραση Σχ.113. Αντιδράσεις οξείδωσης ανοργάνων ενώσεων του αζώτου από τα νιτροποιητικά βακτήρια. 7

8 Απαντούν ευρύτατα στο έδαφος και στο νερό, σε εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού λυμάτων, κλπ. Θειοξειδωτικά και σιδηροξειδωτικά βακτήρια Σημαντικά γένη: Thiobacillus, Beggiatoa To γένος Thiobacillus περιλαμβάνει αρκετά Gram (-) ραβδόμορφα βακτήρια τα οποία κατάτασσονται στα α, β,, και γ πρωτεοβακτήρια. Οι θειούχες ενώσεις που χρησιμοποιούνται συχνά ως ηλεκτρονιοδότες είναι οι Η 2 S, S, και S 2 O 2-3. H 2 S + 2O 2 S + H 2 O + 3/2O 2 S 2 O 2-3 +HO+O 2 + O 2 SO H + Go = -798 KJ/αντίδραση (26) SO H + Go = -587 KJ/αντίδραση (27) 2SO 2- +2H 4 + Go o = -818 KJ/αντίδραση (28) Σχ Αντιδράσεις παραγωγής ενέργειας από τα θειοξειδωτικά βακτήρια. 8

9 Το οξεόφιλο είδος T. ferrooxidans αναπτύσσεται χημειολιθοτροφικά μέσω οξείδωσης FeS 2. Μερικά χημειολιθότροφα του θείου είναι υποχρεωτικά χημειολιθότροφα (είναι και αυτότροφα δεσμεύοντας CO 2 μέσω του κύκλου του Calvin). Υπάρχουν όμως και ορισμένα γένη, όπως το Beggiatoa,, τα περισσότερα είδη του οποίου αποκτούν ενέργεια μέσω οξείδωσης ανόργανων ενώσεων θείου, αλλά καθώς δεν διαθέτουν τα ένζυμα του κύκλου ύλ του Calvin, χρειάζονται οργανικές ενώσεις ως πηγές άνθρακα (μικτοτροφία). Στη φύση, το Beggiatoa απαντά κυρίως σε ενδιαιτήματα πλούσια σε Η 2S, όπως σε θειικές πηγές, αποσυντιθέμενα στρώματα φυκών, λιμναία στρώματα ιλύος, κλπ. Το Beggiatoa και άλλα νηματοειδή βακτήρια, όπως το Shaerotilus, μπορούν να προκαλέσουν σημαντικά προβλήματα σε ιζήματα εγκαταστάσεων βιολογικού καθαρισμού και σε λιμνάζοντα βιομηχανικά απόβλητα (εργαστασίων κονσερβοποιίας, πολτοποίησης χαρτιού, ζυθοποιίας, κλπ). Τα προβλήματα αυτά (γνωστά ά και ως φαινόμενα διόγκωσης ιλύος) ) εμφανίζονται όταν τα εν λόγω βακτήρια ξεπερνούν σε ανάπτυξη τη φυσική μικροχλωρίδα των συστημάτων αποχέτευσης, η οποία αποτελείται από μικροοργανισμούς όπως το Zoogloea. 9

10 Κατά συνέπεια, εμφανίζονται προβλήματα σχετικά με την ικανότητα καθίζησης της λάσπης. Oξειδωτικά βακτήρια του υδρογόνου Σημαντικά γένη: Ralstonia, Alcaligenes Αναπτύσσονται με ηλεκτρονιοδότη Η 2 και Ο 2 ηλεκτρονιοδέκτη. H 2 + 1/2O 2 H 2 Ο Go o = -237 KJ/αντίδραση (29) Πολλοί από αυτούς αναπτύσσονται αυτοτροφικά (χρησιμοποιούν μ τον κύκλο του Calvin για την δέσμευση του CO 2 ), όμως σχεδόν όλα είναι προαιρετικά χημειολιθότροφα. Στην ομάδα αυτή υπάρχουν Gram (-) αλλά και Gram (+) βακτήρια. Όλα τα οξειδωτικά βακτήρια περιέχουν υδρογονάσες για την δέσμευση του H 2, το οποίο χρησιμοποιείται είτε για παραγωγή ΑΤΡ είτε ως αναγωγική ουσία για την αυτότροφη ανάπτυξή τους. Τα περισσότερα βακτήρια του υδρογόνου αναπτύσσονται καλύτερα χημειολιθοτροφικώς υπό μικροαερόβιες συνθήκες (επίπεδα Ο %), καθώς οι υδρογονάσες είναι ευαίσθητες στο Ο 2. 10

11 Στο θρεπτικό μέσο ανάπτυξης βακτηρίων του υδρογόνου είναι απαραίτητο να υπάρχει Νi 2+ (το χρησιμοποιούν οι υδρογονάσες ως μεταλλοσυμπαράγοντα). Ορισμένα βακτήρια του υδρογόνου δεσμεύουν μοριακό Ν 2 (τα συγκεκριμένα είναι ευαίσθητα στο Ο 2 ). Ορισμένα είδη χρησιμοποιούν το CO ως πηγή ενέργειας (καρβοξυδότροφα καρβοξυδότροφα). Τα ηλεκτρόνια από την οξείδωση του CO προς CO 2 (το ένζυμο που καταλύει την οξείδωση ονομάζεται αφυδρογονάση του CO και περιλαμβάνει μολυβδαίνιο) εισέρχονται στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων (παραγωγή ΑΤΡ). Τα βακτήρια αυτά αναπτύσσονται αυτοτροφικά χρησιμοποιώντας τον κύκλο του Calvin. Η κατανάλωση CO από τα καρβοξυδότροφα είναι πολύ σημαντική από οικολογική άποψη. Mεθανιότροφα και μεθυλότροφα Σημαντικά γένη: Μethylomonas, Methylobacter To CH 4 είναι διαδεδομένο στη φύση, καθώς παράγεται από μεθανιογόνα αρχαία. Είναι από τα κύρια αέρια σε διάφορους τύπους ανοξικής ιλύος, σε έλη, στον προστόμαχο των ζώων, κύριο συστατικό του φυσικού αερίου, κλπ. 11

12 Οι μικροοργανισμοί που μπορούν να αναπτυχθούν καταναλώνοντας μόνο ενώσεις ενός ατόμου C ονομάζονται μεθυλότροφοι. Οι μικροοργανισμοί που οξειδώνουν το CH 4, χρησιμοποιώντας και μερικές ακόμα ενώσεις με ένα άτομο C ως δότες ηλεκτρονίων για την παραγωγή ενέργειας και ως μοναδικές πηγές C, ονομάζονται μεθανιότροφοι. Πολλοί μεθυλότροφοι (όχι όλοι) είναι και μεθανιότροφοι. Οι μεθανιότροφοι διαθέτουν το ένζυμο μονοξυγονάση του μεθανίου,, που εισάγει ένα άτομο O στο μόριο του CH 4 (είναι υποχρεωτικά αερόβιοι). Όλοι οι μεθανιότροφοι χρησιμοποιούν υποχρεωτικά ενώσεις με ένα άτομο C, γιατί δεν μπορούν να μεταβολίσουν ενώσεις με δεσμούς μεταξύ ατόμων C. Αντίθετα, πολλοί μη μεθανιότροφοι μεθυλότροφοι μικροοργανισμοί μεταβολίζουν οργανικά οξέα, αιθανόλη, και σάκχαρα. Τα οξειδωτικά βακτήρια του CH 4 είναι οι μόνοι προκαρυώτες που διαθέτουν σχετικά μεγάλες ποσότητες στερολών. Στα μεθανιότροφα, οι στερόλες ίσως αποτελούν βασικό μέρος του σύνθετου συστήματος εσωτερικών μεμβρανών. Τα μεθανιότροφα μπορούν να οξειδώνουν την ΝΗ 3 αν και δεν είναι ικανά να αναπτύσσονται χημειολιθοτροφικά με μοναδικό ηλεκτρονιοδότη την ΝΗ 3. 12

13 Εκτός από το CH 4, η μονοξυγονάση του μεθανίου οξειδώνει και την ΝΗ 3 (ανταγωνιστική σχέση). Συνεπώς, η ΝΗ 3 είναι εν γένει τοξική για τα μεθανιότροφα, ενώ προτιμώμενη πηγή αζώτου είναι τα ΝΟ 3-. Πιθανολογείται ότι τα μεθανιότροφα εξελίχθηκαν από τα νιτροζοποιητικά βακτήρια μέσω μετάλλαξης. Ωστόσο, τα μεθανιότροφα παράγουν ορισμένες πρωτεΐνες ίδιες με τα μεθανιογόνα αρχαία. Τα μεθανιότροφα απαντούν πολύ συχνά σε υδατικά και χερσαία περιβάλλοντα που υπάρχουν πηγές CH 4. Βακτήρια του γένους Pseudomonas Σημαντικά γένη: Pseudomonas, Xanthomonas, Zymomonas Τα διάφορα γένη είναι κατεσπαρμένα στα πρωτεοβακτήρια. Οι ψευδομονάδες είναι ευθύγραμμα ή κεκαμμένα ραβδόμορφα βακτήρια, όχι όμως δονακιοειδή. Κύρια χαρακτηριστικά ταυτοποίησης των ψευδομονάδων είναι η απουσία παραγωγής αερίου από γλυκόζη και η θετική δοκιμή οξειδάσης (αυτά τα χαρακτηριστικά χρησιμοποιούνται για διάκριση από τα εντερικά βακτήρια). 13

14 Έχουν πολύ απλές διατροφικές απαιτήσεις, αναπτύσσονται χημειοοργανοτροφικά σε ουδέτερο ph και σε μεσόφιλο εύρος θερμοκρασιών. Οι ψευδομονάδες εμφανίζουν αναπνευστικό μεταβολισμό και ποτέ ζυμωτικό, αν και υπό αερόβιες συνθήκες μπορεί να παραχθούν μικρές ποσότητες οξέων από γλυκόζη. Πολλά είδη μπορούν να χρησιμοποιούν ποικιλία οργανικών ενώσεων ως πηγή άνθρακα και ενέργειας. Πολλές ψευδομονάδες (καθώς και άλλα Gram (-) βακτήρια) μεταβολίζουν την γλυκόζη μέσω της οδού Entner-Doudoroff. Κύρια ένζυμα της οδού Entner-Doudoroff είναι η αφυδατάση του 6- φωσφογλυκονικού οξέος και η αλδολάση του 6-φωσφορο φωσφορο-2-κετο-3- δεοξυγλυκονικού οξέος. Τα δύο παραπάνω ένζυμα απουσιάζουν από τα Gram (+) βακτήρια (με εξαίρεση μερικά στελέχη του γένους Nocardia). Oι ι ψευδομονάδες απαντούν στο έδαφος και στο νερό και πιθανότατα είναι υπεύθυνες για την αποικοδόμηση πολλών διαλυτών ενώσεων που προέρχονται από τη διάσπαση φυτικής και ζωικής ύλης σε οξυγονούχα ενδιαιτήματα, ενώ πολλά είδη είναι παθογόνα. 14

15 Σχ.115. Το μεταβολικό μονοπάτι Entner-Doudoroff. 15

16 To γένος Zymomonas αποτελείται από μεγάλους Gram (-) βακίλλους, οι οποίοι εκτελούν ζύμωση σακχάρων προς αιθανόλη. Ανήκει στα α-πρωτεοβακτήρια. Αν και αυστηρά ζυμωτικό, συσχετίζεται φυλογενετικά με τις ψευδομονάδες και χρησιμοποιεί το μεταβολικό μονοπάτι Entner-Doudoroff. ιακρίνεται από το Pseudomonas λόγω του ζυμωτικού μεταβολισμού του, της μικροαερόφιλης έως αναερόβιας φύσης του, της αρνητικής δοκιμασίας οξειδάσης, κ.α. Μοιάζει με τα βακτήρια του οξικού οξέος και στη φύση απαντά συχνά μαζί τους. Πιθανότατα, τα βακτήρια του οξικού οξέος εξαρτώνται από τη δράση του Zymomonas για την παραγωγή της αιθανόλης, η οποία αποτελεί θρεπτικό υπόστρωμα για τα βακτήρια του οξικού οξέος. Βακτήρια του οξικού οξέος Συνιστούν μια ομάδα Gram (-) αερόβιων αυτοκινούμενων βακίλλων, οι οποίοι εκτελούν ατελή οξείδωση αλκοολών και σακχάρων προς οργανικά οξέα. Ανήκουν στα α-πρωτεοβακτήρια. 16

17 Οξειδώνουν την αιθανόλη σε οξικό οξύ,, ενώ ως υποστρώματα μπορούν να αποτελέσουν επίσης πολλοί υδατάνθρακες και αλκοόλες. Ιδανικό ph για ανάπτυξη είναι 5-6, αλλά αναπτύσσονται σε τιμές ph<5. Είναι μικροοργανισμοί με μεγάλη βιομηχανική σημασία κυρίως για την παραγωγή ξυδιού. Είναι ετερογενές σύνολο αποτελούμενο από μικροοργανισμούς με περίτριχη, αλλά και πολική μαστιγιοφορία. Tα α πολικά μαστιγιοφόρα κατατάσσονται στο γένος Gluconobacter, ενώ τα περίτριχα στο γένος Acetobacter. Το γένος Acetobacter οξειδώνει περαιτέρω το οξικό οξύ προς CO 2, καθώς διαθέτει πλήρη κύκλο του Krebs, σε αντίθεση με το γένος Gluconobacter, το οποίο δεν διαθέτει πλήρη κύκλο του Krebs. Eνδιαφέρουσα ιδιότητα ορισμένων βακτηρίων του οξικού οξέος είναι η σύνθεση κυτταρίνης. Η σχηματιζόμενη κυτταρίνη δεν διαφέρει από τη φυτική, με εξαίρεση το ότι είναι καθαρή (δεν περιέχει ημικυτταρίνη, η λιγνίνη, κλπ). ) 17

18 Η κυτταρίνη σχηματίζει μάζα έξω από το κυτταρικό τοίχωμα με τα βακτήρια να είναι ενσωματωμένα σε ένα στρώμα ακανόνιστα διατεταγμένων μικροϊνιδίων κυτταρίνης. Πιστεύεται ότι ο σχηματισμός του στρώματος κυτταρίνης αποτελεί μέσο παραμονής των οξικών βακτηρίων στην επιφάνεια του υγρού, όπου υπάρχει άμεσα διαθέσιμο οξυγόνο. Μη συμβιωτικά αερόβια αζωτοδεσμευτικά βακτήρια Σημαντικά γένη: Αzotobacter zotobacter, Azomonas Αρκετοί μικροοργανισμοί που διαβιούν κυρίως στο έδαφος είναι ικανοί να δεσμεύουν το Ν 2 αερόβια. Ανήκουν στα α- ή γ-πρωτεοβακτήρια. Το γένος Azotobacter περιλαμβάνει μεγάλου μεγέθους Gram (-) υποχρεωτικά αερόβιους βακίλλους, ικανούς να δεσμεύουν Ν 2. Σε θρεπτικά υλικά που περιέχουν υδατάνθρακες, τα μη συμβιωτικά αζωτοδεσμευτικά βακτήρια σχηματίζουν μεγάλου μγ μεγέθους μγ κάψες ψς και γλοιώδεις στοιβάδες. Παρά το γεγονός ότι το Azotobacter είναι υποχρεωτικά αερόβιο, η αζωτάση του (ένζυμο που δεσμεύει Ν 2 ) είναι ευαίσθητη στο Ο 2. 18

19 Πιστεύεται ότι ο χαρακτηριστικά υψηλός ρυθμός αναπνοής του Azotobacter και η βλεννοστοιβάδα της κάψας προστατεύουν την αζωτάση από το Ο 2. Το Azotobacter μπορεί να σχηματίσει ληθαργικές μορφές (κύστεις) που μοιάζουν με τα ενδοσπόρια. Οι κύστεις έχουν αμελητέα ενδογενή αναπνοή, είναι ανθεκτικές στην αποξήρανση, τη μηχανική αποικοδόμηση και την υπεριώδη ακτινοβολία, αντίθετα όμως με τα ενδοσπόρια, δεν είναι ανθεκτικές στην θέρμανση και δεν βρίσκονται σε απόλυτο λήθαργο, καθώς οξειδώνουν ταχύτατα εξωγενείς πηγές ενέργειας. Το γένος Azomonas περιλαμβάνει ραβδόμορφα βακτήρια μεγάλου μεγέθους που μοιάζουν με το Azotobacter, δεν παράγουν όμως κύστεις και είναι κατά κανόνα υδρόβια. Νeisseria, Chromobacterium και συγγενή γένη Αυτή η ομάδα των β- και γ-πρωτεοβακτηρίων αποτελεί μια ετερογενή συνάθροιση μικροοργανισμών που σχετίζονται μεταξύ τους φυλογενετικά, ως προς τη χρώση Gram, τη μορφολογία,, την απουσία αυτοκινησίας και τον αερόβιο μεταβολισμό. μ Τα κύτταρα του γένους Neisseria είναι πάντα κόκκοι, ενώ τα κύτταρα των άλλων γενών είναι ραβδόμορφα και μετατρέπονται σε κοκκοειδή μόνο κατά τη στάσιμη φάση ανάπτυξης (κοκκοβάκιλλοι κοκκοβάκιλλοι). 19

20 Το γένος Neisseria περιλαμβάνει παθογόνους του ανθρώπου που προκαλούν γονόρροια. Το Chromobacterium είναι φυλογενετικά στενός συγγενής του Neisseria,, αλλά είναι ραβδόμορφο ως προς την μορφολογία του, μοιάζοντας με τις ψευδομονάδες ή τα εντερικά βακτήρια. Το C. violaceum έχει πορφυρό χρώμα, το οποίο οφείλεται στην χρωστική βιολασεΐνη,, ένωση αδιάλυτη στο νερό, με ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες των αντιβιοτικών, η οποία παράγεται μόνο σε θρεπτικά μέσα που περιέχουν τρυπτοφάνη. Το C. violaceum είναι προαιρετικά αερόβιο, αναπτύσσεται ζυμωτικά με σάκχαρα και αεροβίως με αρκετές πηγές άνθρακα. Απαντά στο έδαφος και στο νερό και περιστασιακά σε λοιμώξεις ανθρώπων και ζώων στις οποίες σχηματίζει πύον. Σχ.116. Η βιολασεΐνη. 20

21 Εντερικά βακτήρια Σημαντικά γένη: Escherichia, hi Salmonella, ll Proteus, Enterobacter t Aποτελούν μια σχετικά ομοιογενή φυλογενετική ομάδα γ-πρωτεοβακτηρίων. Είναι Gram (-), μη σποριωτικά, ραβδόμορφα, ακίνητα ή αυτοκινούμενα με περίτριχα μαστίγια, προαιρετικώς αερόβια, αρνητικά στην οξειδάση. Έχουν σχετικά απλές διατροφικές απαιτήσεις και εκτελούν ζύμωση σακχάρων σχηματίζοντας ποικιλία τελικών προϊόντων. Σε αναερόβιες συνθήκες, η ενέργεια προέρχεται από ζύμωση σακχάρων, ενώ σε αερόβιες από την οξειδωτική αναπνοή. Η ζύμωση των σακχάρων γίνεται μέσω του μεταβολικού μονοπατιού Embden- Meyerhof. Ένα από τα κύρια ταξινομικά χαρακτηριστικά για τον διαχωρισμό των διαφόρων γενών εντερικών βακτηρίων είναι ο τύπος και οι αναλογίες των προϊόντων ζύμωσης που παράγονται κατά την αναερόβια ζύμωση της γλυκόζης. Αναγνωρίζονται δύο κύριοι μηχανισμοί: 1. Η μικτή οξεογόνος ζύμωση,, και 2. Η ζύμωση της 2,3-βουτανεδιόλης. 21

22 Σχ.117. Η βιοχημική οδός σχηματισμού 2,3- βουτανεδιόλης. 22

23 Κατά τη μικτή οξεογόνο ζύμωση σχηματίζονται σημαντικές ποσότητες 3 οξέων (οξικού, ξ ύ γαλακτικού και ηλεκτρικού), αιθανόλης, CO 2 και Η 2, αλλά όχι 2,3-23 βουτανεδιόλη. Κατά τη ζύμωση της 2,3-βουτανεδιόλης β σχηματίζονται μικρότερες ρ ποσότητες οξέων, ενώ τα κύρια προϊόντα είναι 2,3-βουτανεδιόλη, αιθανόλη, CO 2 και Η 2. Από τη μικτή οξεογόνο ζύμωση παράγονται ίσες ποσότητες CO 2 και Η 2, ενώ κατά τη ζύμωση της 2,3-βουτανεδιόλης 23-βουτανεδιόλης παράγεται σημαντικά περισσότερο CO 2 από Η 2, καθώς τα βακτήρια της μικτής οξεογόνου ζύμωσης παράγουν CO 2 μόνο από μυρμηκικό οξύ μέσω της υδρογονολυάσης του μηρμηκικού: ΗCOOH H 2 + CΟ 2 (30) Το μυρμηκικό σχηματίζεται από το πυροσταφυλικό: CH 3 COCOOH + CoASH CH 3 COSCoA + HCOOH (31) 23

24 Σχ.118. ιάκριση μεταξύ (α) μικτής οξεογόνου ζύμωσης και (β) ζύμωσης της 2,3-βουτανεδιόλης στα εντερικά βακτήρια. 24

25 Τα εντεροβακτήρια διακρίνονται σε υποομάδες: Escherichia, Salmonella, Shigella Μέλη του γένους Escherichia είναι κάτοικοι του εντερικού συστήματος του ανθρώπου και των θερμόαιμων ζώων. Παίζει σημαντικό ρόλο στην θρέψη, συνθέτοντας βιταμίνες (ιδιαίτερα βιταμίνη Κ) και βοηθά στην κατανάλωση Ο 2, καθιστώντας ανοξικό το παχύ έντερο. Ορισμένα στελέχη είναι παθογόνα (συγκεκριμένα στελέχη σχηματίζουν αντιγόνο Κ που διευκολύνει στην πρόσδεση και στον αποικισμό του λεπτού εντέρου, ενώ άλλα παράγουν εντεροτοξίνη υπεύθυνη για συμπτώματα διάρροιας). Το γένος Salmonella είναι αρκετά συγγενής με τo Escherichia (διαθέτουν περίπου 50% ομολογία μετά από υβριδοποίηση DNA). Τα μέλη του γένους Salmonella είναι συνήθως παθογόνα του ανθρώπου (προκαλούν τυφοειδή πυρετό και γαστρεντερίτιδα) και των θερμόαιμων ζώων. Οι σαλμονέλλες χαρακτηρίζονται ανοσολογικά βάσει 3 αντιγόνων της κυτταρικής επιφάνειας: 1. Αντιγόνα Ο.. Είναι πολυσακχαρίτες των λιποπολυσακχαριτών του εξωτερικού στρώματος του κυτταρικού τοιχώματος. 25

26 2. Αντιγόνα Vi.. Είναι πολυσακχαρίτες της κάψουλας. 3. Αντιγόνα Η.. Είναι πρωτεΐνες των μαστιγίων. Tα α είδη του γένους Shigella είναι επίσης γενετικά στενοί συγγενείς με το γένος Escherichia (διαθέτουν % ομολογία). ) Το γένος Shigella είναι κοινό παθογόνο του ανθρώπου, το οποίο προκαλεί σοβαρή γαστρεντερίτιδια (βακτηριακή δυσεντερία). Το Shigella dysenteriae μεταδίδεται μέσω της τροφής και του νερού. Proteus Χαρακτηρίζεται από έντονη αυτοκινισία. Έχουν υψηλή πρωτεολυτική δραστικότητα και υδρολύουν την ουρία (ένζυμο ουριάση). Είναι συνήθης αιτιολογικός παράγοντας λοιμώξεων του ουροποιητικού συστήματος του ανθρώπου. Τα περισσότερα μέλη είναι ιδιαίτερα ευκίνητα και καλύπτουν ολόκληρη την επιφάνεια τριβλίων (κατάκλυση). Τα κύτταρα στα άκρα της αναπτυσσόμενης αποικίας είναι κινητικότερα από εκείνα στο κέντρο της. 26

27 Τα κύτταρα στα άκρα μετακινούνται μαζικά σε μικρή απόσταση από την αποικία και κατόπιν υφίστανται μείωση της κινητικότητάς τους, εγκαθίστανται και διαιρούνται, σχηματίζοντας μια νέα γενιά αυτοκινούμενων κυττάρων. Η κατάκλυση συμβαίνει περιοδικά κατά κύματα, σχηματίζοντας χαρακτηριστικούς δακτυλίους στην επιφάνεια των τρυβλίων. Σχ.119. Κατάκλυση στο γένος Proteus. 27

28 Enterobacter, Klebsiella, Serratia Εκτελούν ζύμωση 2,3-βουτανεδιόλης. 23β δόλ Tο Enterobacter aerogenes συναντάται στο έδαφος, στα νερά και μερικές φορές στο πεπτικό σύστημα των ζώων. Το γένος Serratia σχηματίζει ερυθρές χρωστικές (προδιγιοσίνες) που περιέχουν πυρρόλιο, κατά τη στάσιμη φάση ανάπτυξης, ως δευτερογενείς μεταβολίτες. Αν και ο δακτυλιος πυρρολίου απαντά σε χρωστικές που εμπλέκονται στη μεταφορά ενέργειας (πορφυρίνες, χλωροφύλλες, κλπ), δεν υπάρχουν ενδείξεις ότι οι προδιγιοσίνες παίζουν ρόλο στη μεταφορά ενέργειας. Αντίθετα, η ακριβής λειτουργία τους παραμένει άγνωστη. Vibrio και Photobacterium H ομάδα του Vibrio περιλαμβάνει Gram (-) προαιρετικά αερόβιους βακίλλους που διαθέτουν ζυμωτικό μεταβολισμό. Τα περισσότερα μέλη έχουν πολικά μαστίγια, αν και ορισμένα είναι περίτριχα. Είναι θετικά στην οξειδάση. Είναι υδρόβια βακτήρια, απαντούν σε ενδιαιτήματα της θάλασσας και των γλυκών νερών. 28

29 Το Vibrio cholerae είναι το αίτιο της ασθένειας της χολέρας στους ανθρώπους. Το Vibrio parahemolyticus είναι θαλάσσιος μικροοργανισμός και αποτελεί το κύριο αίτιο γαστρεντερίτιδας στην Ιαπωνία, όπου συνιθίζεται η κατανάλωση ωμών ψαριών. Ορισμένα Gram (-) ραβδόμορφα βακτήρια με πολική μαστιγιοφορία εκπέμπουν φως (βιοφωταύγεια). Τα περισσότερα ρ από τα βακτήρια αυτά έχουν ταξινομηθεί στο γένος Photobacterium (αλλά και ορισμένα στελέχη του γένους Vibrio εμφανίζουν βιοφωταύγεια). Αν και τα Photobacterium είναι προαιρετικώς αερόβια, εμφανίζουν βιοφωταύγεια μόνο παρουσία Ο 2. Η εκπομπή κυανοπράσινου φωτός (490nm) παρουσία οξυγόνου και μιας αλειφατικής αλδεΰδης με μεγάλη αλυσίδα (π.χ. δωδεκανάλης) είναι αποτέλεσμα δράσης του ενζύμου λουσιφεράση (οξειδάση), σύμφωνα με την αντίδραση: FMNH 2 + O 2 + R-CHO FMN + H 2 O + R-COOH + hv (32) 29

30 Η βιοφωταύγεια είναι αποτέλεσμα ενός ενδιάμεσου μορίου ενεργοποιημένης κατάστασης: FMNH 2 FMN* FMN + hv (33) Το σύστημα παραγωγής φωτός αποτελεί ουσιαστικά μια εναλλακτική οδό ροής ηλεκτρονίων από το FMNH 2 στο Ο 2 χωρίς την εμπλοκή άλλων φορέων ηλεκτρονίων όπως οι κινόνες και τα κυτοχρώματα. Τα βακτήρια που εμφανίζουν βιοφωταύγεια παράγουν μια ουσία (αυτεπαγωγέα), η οποία συσσωρεύεται στο θρεπτικό μέσο καλλιέργειας. Όταν η συγκέντρωση της ουσίας αυτής φθάσει σε κρίσιμο επίπεδο, προκαλείται η επαγωγή της βιοσύνθεσης της λουσιφεράσης (αυτεπαγωγή). Τα περισσότερα βακτήρια που εμφανίζουν το φαινόμενο της βιοφωταύγειας είναι θαλάσσια και απαντούν σε συμβίωση με ψάρια. Ρικέτσιες Σημαντικά γένη: Rickettsia, Wolbachia Είναι μικρά Gram (-) κοκκοειδή ή ραβδόμορφα πρωτεοβακτήρια. Με εξαίρεση το γένος Rochalimaea είναι υποχρεωτικώς ενδοκυτταρικά παράσιτα ορισμένων αρθροπόδων (ψύλλοι, ψείρες και τσιμπούρια). 30

31 Μάλλον δεν προκαλούν ασθένειες στους φυσικούς ξενιστές, στα σπονδυλωτά όμως είναι παθογόνα (π.χ. τύφο στον άνθρωπο). Έχουν DNA και RNA, κυτταρικό τοίχωμα και δυνατότητα εκτέλεσης ορισμένων μεταβολικών δραστηριοτήτων. ιαθέτουν πλήρη αναπνευστική αλυσίδα με κυτοχρώματα και εκτελούν φωσφορυλίωση από μεταφορά ηλεκτρονίων, χρησιμοποιώντας ως ηλεκτρονιοδότη ΝΑDH. To γένος Wolbachia περιλαμβάνει είδη ραβδόμορφων πρωτεοβακτηρίων που είναι ενδοκυτταρικά παράσιτα αρθροπόδων εντόμων, δεν προκαλούν όμως ασθένειες σε σπονδυλωτά. Το γένος Wolbachia έχει φυλογενετική σχέση με τις ρικέτσιες και προκαλεί διάφορα συμπτώματα στους ξενιστές του, όπως παρθενογένεση (ανάπτυξη μη γονιμοποιημένων αβγών), θανάτωση των αρρένων, και μετατροπή των αρρένων εντόμων σε θήλεα. Σε διάφορα είδη σφηκών, οι άρρενες κανονικά γεννιούνται από μη γονιμοποιημένα αβγά (περιέχουν 1 σειρά χρωμοσωμάτων), ενώ τα θήλεα από γονιμοποιημένα αβγά (περιέχουν 2 σειρές χρωμοσωμάτων). Στα μολυσμένα με Wolbachia αβγά, προκαλείται με κάποιο τρόπο διπλασιασμός του αριθμού των χρωμοσωμάτων, με αποτέλεσμα την παραγωγή μόνο θήλεων. 31

32 Σπειράματα Σημαντικά γένη: Spirillum, Bdellovibrio, Campylobacter Τα σπειράματα είναι Gram (-) αυτοκινούμενα, σπειροειδούς σχήματος πρωτεοβακτήρια με μεγάλη ποικιλία φυσιολογικών ιδιοτήτων. Το Spirillum volutans είναι μικροαερόφιλο και σχηματίζει κόκκους βολουτίνης που αποτελούνται από πολυφωσφορικό. Από υδατικά περιβάλλοντα έχουν απομονωθεί θίδ ιδιαιτέρως κινητικά μικροαερόφιλα μαγνητικά σπειράματα που παρουσιάζουν μια έντονα κατευθυνόμενη κίνηση όταν βρίσκονται σε μαγνητικό πεδίο (μαγνητοτακτισμός μαγνητοτακτισμός). Στο εσωτερικό των μαγνητικών σπειραμάτων υπάρχουν αλυσίδες μαγνητικών σωματίων που αποτελούνται από Fe 3 O 4 και Fe 3 S 4 (μαγνητοσώματα). Τα μαγνητοσώματα προφανώς βοηθούν την παραμονή των μικροαερόφιλων μικροοργανισμών σε ζώνες χαμηλής συγκέντρωσης Ο 2, κοντά στο όριο οξυγονούχων και ανοξικών περιοχών. Οι μικροοργανισμοί του γένους Bdellovibrio έχουν την ασυνήθιστη ιδιότητα να θηρεύουν άλλα βακτήρια, χρησιμοποιώντας ως τροφή τα κυτταροπλασματικά συστατικά των ξενιστών τους. 32

33 Είναι μικρά κύτταρα με έντονη κινητικότητα, που προσκολλώνται στην επιφάνεια των κυττάρων-ξενιστών. Το γένος Bdellovibrio αναπτύσσεται στο περίπλασμα, σχηματίζοντας μια σφαιρική δομή (βδελλοπλάστης). Προσβάλλει μεγάλη ποικιλία Gram (-) βακτηρίων, όχι όμως Gram (+) βακτήρια. Είναι υποχρεωτικά αερόβιο, ανήκει στα δ-πρωτεοβακτήρια και προσλαμβάνει ενέργεια από την οξείδωση αμινοξέων και οξικού οξέος. Αφομοιώνει όμως νουκλεοτίδια, λιπαρά οξέα, μερικές φορές ακόμα και ολόκληρες πρωτεΐνες απευθείας από τον ξενιστή του, χωρίς να τις διασπά. Είναι ευρέως διαδεδομένο στο έδαφος και στο νερό, ακόμα και σε θαλάσσια περιβάλλοντα. Τα γένη Campylobacter και Helicobacter είναι Gram (-) μικροαερόφιλα βακτήρια, ανήκουν στα ε-πρωτεοβακτήρια και είναι παθογόνα του ανθρώπου και των ζώων. Ελυτροφόρα πρωτεοβακτήρια Σημαντικά γένη: Sphaerotilus, Leptothrix Είναι νηματοειδή β-πρωτεοβακτήρια με ιδιόμορφο βιολογικό κύκλο που περιλαμβάνει τον σχηματισμό μαστιοφόρων ολισθητικών κυττάρων στο εσωτερικό ενός σωλήνα ή ελύτρου (θήκης). 33

34 Σχ.120. Κύκλος ανάπτυξης του βακτηριακού θηρευτή Bdellovibrio. ΚΜ: Κυτταροπλασματική μεμβράνη θηράματος. 34

35 Υπό ορισμένες (συνήθως δυσμενείς) συνθήκες, τα ολισθητικά κύτταρα εξέρχονται από το έλυτρο και διασπείρονται σε νέα περιβάλλοντα. Υπό ευνοϊκές συνθήκες, η βλαστική ανάπτυξη λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό του νηματίου και οδηγεί στον σχηματισμό ενός μακρού ελύτρου γεμάτου από κύτταρα. Τα ελυτροφόρα βακτήρια απαντούν σε ενδιαιτήματα ρέοντος γλυκού νερού πλούσια σε οργανική ύλη (μολυσμένα υδάτινα ρεύματα, βιολογικά φίλτρα για την επεξεργασία λυμάτων με προσκολλημένη βιομάζα, κλπ). Σε ενδιαιτήματα όπου υπάρχουν ενώσεις ανηγμένου σιδήρου και μαγγανίου, τα έλυτρα μπορεί να επικαλυφθούν με υδροξείδιο του σιδήρου και οξείδιου του μαγγανίου. Αν και η καθίζηση του σιδήρου οφείλεται μάλλον σε χημικές αντιδράσεις, ορισμένα έλυτρα έχουν την ικανότητα οξείδωσης του μαγγανίου. Σχ.121. Sphaerotilus natans. 35

36 To Sphaerotilus είναι υποχρεωτικά αερόβιο και εμφανίζεται συχνά το φθινόπωρο σε μικρά ρεύματα με πεσμένα φύλλα, στους υπονόμους (γνωστό ως «μύκητας του υπονόμου»), κλπ. Το έλυτρο, στο οποίο δεν υπάρχει μουραμικό οξύ ή άλλα συστατικά του κυτταρικού τοιχώματος της πεπτιδογλυκάνης, αποτελείται από πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες και λιπίδια (είναι ανάλογο της κάψουλας). Το Leptothrix μπορεί να οξειδώνει το Mn Mn Mn /2O 2 + H 2 O MnO 2 + 2H + Go = =-68ΚJ (34) H oξείδωση του Mn 2+ συνδυάζεται με παραγωγή ενέργειας. Η πρωτεΐνη της οξείδωσης του μαγγανίου βρίσκεται στο έλυτρο και όχι στο εσωτερικό των κυττάρων. Βακτήρια με εκβλαστήσεις και πορσθήκες/μίσχους Σημαντικά γένη: Hyphomicrobium, Caulobacter Αυτή η μεγάλη και ετερογενής ομάδα πρωτεοβακτηρίων περιλαμβάνει οργανισμούς που σχηματίζουν κυτταροπλασματικές προεκβολές (μίσχους, υφές, αποφύσεις). 36

37 Προεκβολές μικρότερης διαμέτρου από το ώριμο κύτταρο, οι οποίες περιέχουν κυτταρόπλασμα και ορίζονται από το κυτταρικό τοίχωμα, ονομάζονται προσθήκες. Ξεχωριστό ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι η κυτταρική διαίρεση είναι αποτέλεσμα άνισης κυτταρικής αύξησης. Ο σχηματισμός του νέου κυττάρου πραγματοποιείται από ένα συγκεκριμένο σημείο (πολική αύξηση). Το Hyphomicrobium είναι μεθυλότροφο και προτιμώμενες πηγές άνθρακα είναι ενώσεις με 1 άτομο C, όπως μεθανόλη, μεθυλαμίνη, φορμαλδεΰδη και μυρμηκικό οξύ. Είναι ο μόνος γνωστός μικροοργανισμός που μπορεί να χρησιμοποιεί την μεθανόλη ως δότη και το νιτρικό ιόν ως δέκτη ηλεκτρονίων υπό ανοξικές συνθήκες για παραγωγή ενέργειας. Σχ.122. Βακτήρια με προσθήκες. 37

38 Σχ.123. ιαφορές στην κυτταρική διαίρεση μεταξύ συμβατικών βακτηρίων και βακτηρίων με εκβλαστήσεις και μίσχους. 38

39 Σχ.124. Στάδια κυτταρικού κύκλου του Hyphomicrobium. 39

40 Τα βακτήρια με προσθήκες και μίσχους είναι χημειοργανοτροφικά αερόβια βακτήρια που προσκκολλώνται σε κοκκώδη υλικά, φυτική ύλη ή άλλους μικροοργανισμούς σε υδάτινα ενδιαιτήματα. Αν και οι αποφύσεις χρησιμεύουν για την προσκόλληση, αυξάνουν επίσης σημαντικά την επιφάνεια των κυττάρων σε σχέση με τον όγκο και κατά συνέπεια την ικανότητα απορρόφησης θρεπτικών υλικών και απέκρισης αποβλήτων, καθώς τα βακτήρια αυτά απαντούν σε νερά φτωχά σε θρεπτικά συστατικά. Άλλη λειτουργία των προσθηκών είναι η μείωση του ρυθμού καθίζησης σε ανοξικές ζώνες υδατικών ενδιαιτημάτων, καθώς είναι αυστηρά αερόβιοι μικροοργανισμοί. Ο κύκλος κυτταρικής διαίρεσης του Caulobacter περιλαμβάνει μια διαδικασία άνισης διχοτόμησης. ης Σχ Στάδια κυτταρικού κύκλου του Caulobacter. 40

41 Ολισθητικά μυξοβακτήρια Σημαντικά γένη: Myxococcus, Stigmatella Περιλαμβάνει μεγάλου μήκους ραβδόμορφους ή νηματοειδείς μικροοργανισμούς, χωρίς μαστίγια, που μετακινούνται όταν βρίσκονται σε επαφή με κάποια επιφάνεια. Ανήκουν στα δ-πρωτεοβακτήρια. Τα καρποφορούντα μυξοβακτήρια σχηματίζουν πολυκυτταρικές δομές, τα καρποσώματα. Τα βλαστικά κύτταρα των καρποφορούντων μυξοβακτηρίων είναι Gram (-) και αποκτούν τα θρεπτικά τους συστατικά κυρίως προκαλλώντας τη λύση άλλων βακτηρίων. Υπό κατάλληλες συνθήκες, μεγάλος αριθμός βλαστικών κυττάρων συσσωρεύεται και σχηματίζει καρποσώματα στο εσωτερικό των οποίων ορισμένα κύτταρα μετατρέπονται σε ληθαργικές μορφές, τα μυξοσπόρια. Τα καρποσώματα των μυξοβακτηρίων ποικίλλουν από απλές σφαιρικές μάζες μυξοσπορίων σε αραιή βλεννώδη ουσία, μέχρι σύνθετες μορφές με τοιχώματα καρποσώματος και μίσχο και είναι συνήθως έντονα χρωματισμένα. Ο σχηματισμός καρποσωμάτων δεν παρατηρείται όταν υπάρχουν διαθέσιμα θρεπτικά υλικά, αλλά όταν αυτά εξαντληθούν. 41

42 Σχ Βιολογικός κύκλος του Myxococcus xanthus. 42

43 Τα κύτταρα συσσωρεύονται πιθανότατα μέσω χημειοτακτικής απόκρισης και σχηματίζουν σωρούς. Καθώς οι σωροί αυξάνονται σε ύψος, αρχίζει η διαφοροποίηση του καρποσώματος σε μίσχο και κεφαλή. Ο μίσχος αποτελείται από βλεννώδη ουσία, στην οποία μπορεί να παγιδευτούν αρκετά κύτταρα Κάθε καρπόσωμα μπορεί να περιέχει μέχρι 10 9 κύτταρα. Σε ορισμένα γένη, τα μυξοσπόρια περικλείονται σε μεγάλες δομές με τοιχώματα, τις κύστεις. Συγκρινόμενα με τα βλαστικά κύτταρα, το μυξοσπόριο είναι πιο ανθεκτικό στην αφυδάτωση, στις δονήσεις ηχητικών κυμάτων, στην υπεριώδη ακτινοβολία, και στη θερμότητα, αλλά ο βαθμός αντοχής στη θερμότητα είναι πολύ μικρότερος της αντίστοιχης του βακτηριακού ενδοσπορίου. Πιθανώς, η κύρια λειτουργία των μυξοσπορίων είναι η επιβίωση του οργανισμού λόγω αποξήρανσης του ενδιαιτήματός του. Μετά τη διασπορά σε ευνοϊκό ενδιαίτημα ή την αποκατάσταση των κατάλληλων συνθηκών ανάπτυξης, το μυξοσπόριο τελικά βλαστάνει αφού προηγηθεί τοπική ρήξη της κάψας. 43

44 Σχ Σχηματισμός καρποσώματος στο Chondromyces crocatus. 44

45 Τα μυξοβακτήρια είναι συνήθως χρωματισμένα με καροτενοειδείς χρωστικές, η σύνθεση των οποίων προάγεται με το φως και έχουν μάλλον φωτοπροστατευτικό ρόλο. Αναγωγικά πρωτεοβακτήρια θειικών και θείου Σημαντικά γένη: Desulfovibrio, Desulfobacter, Deulfuromonas Το SO 2-4 και το S o λειτουργούν ως δέκτες ηλεκτρονίων σε ανοξικές συνθήκες για μια μεγάλη ομάδα δ-πρωτεοβακτηρίων που χρησιμοποιούν ως ηλεκτρονιοδότες οργανικές ενώσεις ή Η 2. Γένη της ομάδας Ι, όπως Desulfovibrio, Desulfomonas, Desulfotomaculum και Desulfοbulbus χρησιμοποιούν ως ηλεκτρονιοδότες γαλακτικό και πυροσταφυλικό οξύ, αιθανόλη ή ορισμένα λιπαρά οξέα, ανάγοντας το θειικό σε υδρόθειο. Γένη της ομάδας ΙΙ, όπως Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina και Desulfonema οξειδώνουν λιπαρά οξέα (ιδίως το οξικό) ανάγοντας το θειικό σε θειώδες. Τα γένη της ομάδας Ι οξειδώνουν την πηγή ενέργειας μέχρι οξικό, ενώ της ομάδας ΙΙ πλήρως. Ορισμένα θειοαναγωγικά βακτήρια χρησιμοποιούν, εκτός από το θειικό, το ΝΟ 3- ως ηλεκτρονιοδέκτη ανάγοντάς ά το σε ΝΗ 3, αλλά και S o ή HO-CH 2 -CH 2 -SO 3 τα οποία τα ανάγουν προς Η 2 S. 45

46 Ορισμένα στελέχη είναι αρκετά ανεκτικά στο Ο 2 (συνήθως συνυπάρχουν με κυανοβακτήρια που παράγουν Ο 2 2) ) και στην πραγματικότητα αναπνέουν με ηλεκτρονιοδέκτη Ο 2. Η αερόβια αναπνοή όμως, δεν υποβοηθά την ανάπτυξη, αλλά αποτελεί μέσο απομάκρυνσης του Ο 2. Τα θειοαναγωγικά βακτήρια είναι διαδεδομένα σε υδατικά και χερσαία ανοξικά ενδιαιτήματα. Η ανάπτυξη του Desulfotomaculum σε κονσέρβες και η αναγωγή θειικών προκαλεί την αλλοίωση γνωστή ως θειούχο οσμή. Φύλο 2. Θετικά Gram (+) βακτήρια Μη σπoριωτικά, Gram (+) βακτήρια χαμηλού ποσοστού G+C: Οξυγαλακτικά βακτήρια και συγγενείς τους Σημαντικά γένη: Staphylococcus, Micrococcus, Streptococcus, Lactobacillus To Micrococcus στην πραγματικότητα ανήκει στα υψηλού ποσοστού G+C Gram (+) βακτήρια, αλλά μοιάζει μορφολογικά με το γένος Staphylococcus. Το Micrococcus είναι υποχρεωτικά αερόβιο και παράγει οξύ από γλυκόζη μόνο υπό αερόβιες συνθήκες. 46

47 Το Staphylococcus είναι προαιρετικά αερόβιο και παράγει οξύ από γλυκόζη τόσο αερόβια όσο και αναερόβια. Και τα δύο παραπάνω γένη είναι θετικά στην καταλάση. Μπορούν να αναπτύσσονται σε υψηλές συγκεντρώσεις αλάτων (θρεπτικό μέσο με 7.5% NaCl χρησιμοποιείται για την απομόνωσή τους). Οι σταφυλόκοκκοι είναι συνήθη παράσιτα του ανθρώπου και άλλων θηλαστικών και περιστασιακά παθογόνα. Τα είδη του γένους Sarcina είναι υποχρεωτικώς αναερόβια, εξαιρετικά ανθεκτικά σε όξινο περιβάλλον (αναπτύσσονται μέχρι και σε ph: 2). Απομονώνονται από το χώμα, τη λάσπη, τα κόπρανα, και τα περιεχόμενα του στομάχου. Τα οξυγαλακτικά βακτήρια είναι Gram (+) βάκιλλοι και κόκκοι, χωρίς ικανότητα μετακίνησης, οι οποίοι παράγουν γαλακτικό οξύ ως κύριο ή μοναδικό προϊόν ζύμωσης. Είναι προαιρετικά αναερόβιοι και αρνητικά ως προς την καταλάση. Η απουσία της καταλάσης αποδεικνύεται εύκολα με τον μη σχηματισμό Ο 2. Τα γαλακτικά βακτήρια είναι σχεδόν τα μόνο καταλάση (-) μεταξύ αυτών που μπορούν να αναπτυχθούν σε αέρα. 47

48 Τα γαλακτικά βακτήρια δεν μπορούν να συνθέσουν αίμη και επομένως δεν έχουν συστήματα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Η αδυναμία τους αυτή είναι αποτέλεσμα περιορισμένης βιοσυνθετικής ικανότητας. Για την ανάπτυξή τους απαιτούν πλήθος αυξητικών παραγόντων (βιταμίνες Β και πλήθος αμινοξέων). ) A B Γ Σχ.128. Γαλακτικά βακτήρια. Α: Streptococcus lactis,, B: Lactobacillus acidophilus, Γ: Lactobacillus brevis, : Lactobacillus delbrueckii. 48

49 Αναπτύσσονται συνήθως σε θρεπτικά υποστρώματα που περιέχουν εκχυλίσματα ζύμης ή προϊόντα πέψης φυτικών ή ζωικών ιστών. Από βιοχημικής άποψης, τα γαλακτικά βακτήρια διακρίνονται σε δύο ομάδες: 1. Στα ομοζυμωτικά,, τα οποία μετατρέπουν τη γλυκόζη αποκλειστικά σε γαλακτικό οξύ,, και 2. Στα ετεροζυμωτικά,, τα οποία μετατρέπουν τη γλυκόζη σε γαλακτικό οξύ, αιθανόλη και CO 2. Τα ετεροζυμωτικά αναγνωρίζονται από την παραγωγή CO 2 στην καλλιέργεια. Η διαφορά μεταξύ ομοζυμωτικών και ετεροζυμωτικών βακτηρίων οφείλεται στο γεγονός ότι στα ετεροζυμωτικά απουσιάζει η αλδολάση από την γλυκόλυση. ιάφορα μέλη των γενών Streptococcus, Enterococcus, Lactococcus, Leuconostoc, και Pediococcus έχουν παρεμφερείς αναλογίες βάσεων DNA, και υπάρχει πολύ μικρή ποικιλομορφία ανάμεσα στα διάφορα στελέχη. Αντίθετα, στα μέλη του γένους Lactobacillus υπάρχουν μεγάλες διαφορές ως προς τη σύνθεση του DNA (ανομοιογενές σύνολο). 49

50 Ορισμένα μέλη του γένους Streptococcus είναι παθογόνα του ανθρώπου και των ζώων. Για να διαχωρίζονται οι στρεπτόκοκκοι που δεν είναι εν γένει παθογόνοι από τους παθογόνους του ανθρώπου, έχουν αναγνωρισθεί 3 είδη: 1. Στρεπτόκοκκοι (Streptococcus Streptococcus), t 2. Λακτόκοκκοι (Lactococcus), και 3. Εντερόκοκκοι (Enterococcus Enterococcus). Σχ.129. ιάκριση μεταξύ ομοζυμωτικών και ετεροζυμωτικών βακτηρίων μέσω παραγωγής CO 2. 50

51 Σχ.130. Ομοζυμωτική ζύμωση. 51

52 Σχ.131. Ετεροζυμωτική ζύμωση. 52

53 Τα γαλακτικά βακτήρια συναντώνται: 1. Στο γάλα και σε προϊόντα γάλακτος, όπου εισχωρούν από την αγελάδα, 2. Σε διάφορα φυτά, όπου αναπτύσσονται με την κατανάλωση θρεπτικών συστατικών που ελευθερώνονται μετά τον θάνατο των φυτών και την αποσύνθεση των ιστών τους, και 3. Αποτελούν μέρος της κανονικής χλωρίδας του οργανισμού των ζώων (απαντώνται στον ρινοφάρυγγα, στην πεπτική κοιλότητα, στο έντερο, κλπ). Πίνακας 1. ιάφορα οξυγαλακτικά βακτήρια. Γένος Streptococcus Leuconostoc Pediococcus Lactobacillus Enterococcus Lactococcus Σχήμα και διάταξη κυττάρων Κόκκοι σε αλυσίδες Κόκκοι σε αλυσίδες Κόκκοι σε τετράδες (1) Ραβδόμορφα, συνήθως σε αλυσίδες (2) Ραβδόμορφα, συνήθως σε αλυσίδες Κόκκοι σε αλυσίδες Κόκκοι σε αλυσίδες Ζύμωση Ομοζυμωτικό Ετεροζυμωτικό Ομοζυμωτικό Ομοζυμωτικό Ετεροζυμωτικό Ομοζυμωτικό Ομοζυμωτικό 53

54 Οι γαλακτοβάκιλλοι (Lactobacillus) είναι τυπικά ραβδόμορφα βακτήρια. Τα περισσότερα είδη είναι ομοζυμωτικά, υπάρχουν όμως και ετεροζυμωτικά. Είναι συνήθως ανθεκτικότεροι σε όξινα περιβάλλοντα από τα άλλα οξυγαλακτικά βακτήρια (αναπτύσσονται σε τιμές ph έως και 4). Χρησιμοποιούνται στην παραγωγή γή γαλακτοκομικών προϊόντων και είναι σπάνια,, έως καθόλου παθογόνοι. Τα μέλη του γένους Listeria είναι Gram (+) κοκκοβάκιλλοι. Συγγενεύουν φυλογενετικά με είδη Lactobacillus. Απαιτούν μικροαερόβιες έως αερόβιες συνθήκες ανάπτυξης. Είναι θετικά στην καταλάση. Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι είναι το είδος L. monocytogenes. Είναι παθογόνοι και προκαλούν τροφική δηλητηρίαση. Συναντώνται σε έτοιμα προς βρώση τρόφιμα, κυρίως γαλακτοκομικά προϊόντα. 54

55 Ενδοσποριακά Gram (+) βακτήρια χαμηλού G+C: Bacillus, Clostridium, και συγγενικά γένη Σημαντικά γένη: Bacillus, Clostridium, Sporosarcina, Heliobacterium Τα γένη που σχηματίζουν ενδοσπόρια διακρίνονται βάσει της μορφολογίας του κυττάρου, του σχήματος, της θέσης του ενδοσπορίου στο κύτταρο, της σχέσης με το Ο 2, και του ενεργειακού μεταβολισμού. Παρά την ύπαρξη σημαντικής γενετικής ετερογένειας μεταξύ των ενδοσποριογονικών βακτηρίων (οι αναλογίες G+C των διαφόρων ειδών Bacillus ποικίλλουν σε ποσοστό 40%), όλα τα ενδοσποριογόνα βακτήρια σχετίζονται από πλευράς οικολογίας, καθώς απαντούν κυρίως στο έδαφος. Η δυνατότητα σχηματισμού ενδοσπορίων προσδίδει πλεονέκτημα στην επιβίωσή τους στις αντίξοες συνθήκες του περιβάλλοντος. Πολλοί βάκιλλοι (μέλη του Bacillus) παράγουν εξωκυτταρικά υδρολυτικά ένζυμα που διασπούν σύνθετα πολυμερή (πολυσακχαρίτες, νουκλεϊκά οξέα, λιπίδια), ενώ πολλά είδη παράγουν αντιβιοτικά (βακιτρακίνη, ί κιτρουλίνη, κλπ). ) Αρκετά είδη (B. popilliae, B. thuringiensis) παράγουν τοξικές ενώσεις εντόμων (βιολογικά γ εντομοκτόνα). ) 55

56 Και τα 2 παθογόνα των εντόμων παράγουν κατά τη διάρκεια της σπορίωσης μια κρυσταλλική πρωτεΐνη (παρασποριακό σώμα) ) που αποτίθεται στο εσωτερικό του σποριαγγείου, αλλά έξω από το σπόριο. Στην περίπτωση του B. thuringiensis,, η κρυσταλλική πρωτεΐνη (τοξίνη Bt) είναι μια προτοξίνη, η οποία μετατρέπεται σε τοξίνη μέσω πρωτεολυτικής διάσπασης στο πεπτικό σύστημα της νύμφης. Η τοξίνη προσφύεται στα εντερικά επιθηλιακά κύτταρα και επάγει τον σχηματισμό πόρων, με αποτέλεσμα τη λύση των κυττάρων του εντέρου. Τα μέλη του Βacillus είναι υποχρεωτικώς ή προαιρετικώς αερόβια. Σχ.132. Σχηματισμός τοξικού παρασποριακού κρυστάλλου στο Bacillus thuringiensis. 56

57 Tα α είδη του γένους Clostridium δεν διαθέτουν σύστημα κυτοχρωμάτων και μηχανισμό οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. Αρκετά είδη του γένους Clostridium εκτελούν ζύμωση σακχάρων παράγοντας βουτυρικό οξύ ως κύριο τελικό προϊόν (ορισμένα είδη παράγουν επίσης ακετόνη και βουτανόλη). Οι αναλογίες των διάφορων προϊόντων επηρεάζονται από τη διάρκεια και τις συνθήκες της ζύμωσης. Στα αρχικά στάδια, τα κύρια προιόντα είναι βουτυρικό και οξικό οξύ (παραγωγή ΑΤΡ), αλλά καθώς μειώνεται το ph του θρεπτικού μέσου αναστέλλεται η σύνθεση οξέων και αρχίζει η συσσώρευση των ουδέτερων προϊόντων (ακετόνης και βουτανόλης σε αναλογία 1:1). Εάν το ph του θρεπτικού μέσου διατηρηθεί σταθερό (με προσθήκη CaCO 3 ), σχηματίζονται ελάχιστες ποσότητες ουδέτερων προϊόντων, ενώ τα κύρια προϊόντα της ζύμωσης είναι βουτυρικό και οξικό σε αναλογία 3:1. Ορισμένα είδη του τύπου ακετόνης-βουτανόλης δεσμεύουν Ν 2, ενώ μια ομάδα Clostridium διασπά την κυτταρίνη προς οξέα και αλκοόλες. 57

58 Σχ.133. Σχηματισμός προϊόντων ζύμωσης από ορισμένα είδη Clostridium. 58

59 Μια άλλη ομάδα Clostridium προσλαμβάνει ενέργεια από τη ζύμωση αμινοξέων. Ορισμένα είδη εκτελούν ζύμωση συγκεκριμένων αμινοξέων, ενώ άλλα μόνο ζευγών αμινοξέων. Στην περίπτωση ζύμωσης ζευγών αμινοξέων, το ένα λειτουργεί ως δότης και το άλλο ως δέκτης ηλεκτρονίων (αντίδραση Stickland). Στην περίπτωση του Clostridium sporogenes, η αλανίνη λειτουργεί ως δότης και η γλυκίνη ως δέκτης ηλεκτρονίων. Tα α αμινοξέα που μπορούν να υποστούν μεμονωμένα ζύμωση είναι η αλανίνη, η κυστεΐνη, το γλουταμινικό οξύ, η γλυκίνη, η σερίνη, η ιστιδίνη, και η τρυπτοφάνη, ενώ τα προϊόντα είναι εν γένει οξικό οξύ, βουτυρικό οξύ, CO 2 και Η 2. Πολλά από τα προϊόντα ζύμωσης των αμινοξέων είναι δύσοσμες ουσίες. Κύριο ενδιαίτημα των Clostridium είναι το έδαφος (κυρίως ανοξικοί θύλακες στους οποίους βρίσκονται προαιρετικά αναερόβιοι μικροοργανισμοί που καθιστούν ανοξικό το περιβάλλον). ) Πολλά μέλη του Clostridium είναι παθoγόνα για τον άνθρωπο (το Clostridium botulinum προκαλεί την ασθένεια της αλαντίασης, το Clostridium tetani προκαλεί τέτανο και το Clostridium perfringens προκαλεί γάγραινα). 59

60 Σχ.134. Αντίδραση Stickland. 60

61 To γένος Sporosarcina είναι μοναδικό μεταξύ των ενδοσποριογονικών βακτηρίων γιατί τα κύτταρά του είναι κόκκοι και όχι ραβδόμορφα. Αποτελείται από αυστηρά αερόβια σφαιρικά έως ωοειδή κύτταρα σχηματίζοντας τετράδες ή κύβους από 8 ή περισσότερα κύτταρα. Το S. ureae αποικοδομεί την ουρία προς CO 2 και ΝΗ 3, αυξάνοντας το ph. Είναι κοινό στο έδαφος. Τα ηλιοβακτήρια είναι ανοξικά φωτοτροφικά, υποχρεωτικά αναερόβια, χαμηλού ποσοστού G+C Gram (+) βακτήρια, που παράγουν μια μοναδική, από άποψη δομής, βακτηριοχλωροφύλλη. Μπορούν να αναπτυχθούν και χημειοτροφικά στο σκοτάδι με ζύμωση του πυροσταφυλικού οξέος. Gram (+) χαμηλού ποσοστού G+C βακτήρια, χωρίς κυτταρικό τοίχωμα: Μυκοπλάσματα Σημαντικά γένη: Mycoplasma, Spiroplasma εν έχουν κυτταρικό τοίχωμα, ούτε σταθερή μορφολογία. Αν και δεν αντιδρούν θετικά στη χρώση Gram, αφού δεν διαθέτουν κυτταρικό τοίχωμα, έχουν σαφή φυλογενετική συγγένεια με τα Gram (+) βακτήρια χαμηλού ποσοστού G+C. 61