Ορισµοί Γεωργική Μικροβιολογία Εισαγωγή Ιστορικά Στοιχεία Ονοµατολογία - Ταξινόµηση Η Μικροβιολογία είναι ο κλάδος της επιστήµης που ασχολείται µε τους µικροοργανισµούς (πολύ µικρά έµβια όντα). Η Γεωργική µικροβιολογία είναι κλάδος της µικροβιολογίας που ασχολείται µε την µελέτη των µικροοργανισµών που είναι ιδιαίτερα σηµαντικοί στην γεωργία (και την κτηνοτροφία). Ο διαχωρισµός δεν είναι ιδιαίτερα διακριτός δεδοµένου ότι και άλλοι επιστηµονικοί κλάδοι ασχολούνται µε το ίδιο αντικείµενο (εδαφική µικροβιολογία, ζυµώσεις, µικροβιολογία τροφίµων, βιοτεχνολογία κλπ). Ποιοι είναι οι µικροοργανισµοί? Είναι οι οργανισµοί που δεν µπορούµε να διακρίνουµε µε γυµνό οφθαλµό (< 1/10 mm). Τέτοιοι είναι: βακτήρια ιοί πρωτόζωα µύκητες, ζύµες άλγη παράσιτα Ο όρος «µικρόβια» αρχικά χρησιµοποιήθηκε από τον Γάλλο Sedillot. Μικρόβια: Το κυρίαρχο είδος Σήµερα γνωρίζουµε ότι µορφές µικροβίων έχουν αποικίσει το σύνολο της βιόσφαιρας. Οι µικροοργανισµοί βρίσκονται επάνω και µέσα στο σώµα µας ενώ αναπνέουµε, καταπίνουµε και αποβάλουµε εκατοντάδες εκατοµµύρια από αυτούς κάθε ηµέρα. Ο αριθµός των µικροοργανισµών επάνω στον πλανήτη εκτιµάται στα 5x10 30 κύτταρα. Ο άνθρακας που βρίσκεται σε όλα αυτά τα κύτταρα είναι σαν ποσότητα ίσος µε την ποσότητα που υπάρχει σε όλα τα φυτά. Ενώ οι ποσότητες αζώτου και φωσφόρου είναι 10 φορές περισσότερες από τις ποσότητες που υπάρχουν στην φυτική βιόσφαιρα. Ιστορικά στοιχεία Επίδραση των µικροοργανισµών στην ζωή του ανθρώπου. Η ιστορία της µικροβιολογίας είναι συνδεδεµένη µε την προσπάθεια του ανθρώπου να εξηγήσει την ίδια την ζωή. Για τον λόγο αυτό µε την εξέλιξη της µικροβιολογίας συνδέονται θεωρίες όπως της αυθόρµητης γένεσης, του νοσογόνου χαρακτήρα των µικροοργανισµών, θεωρίες για τους ιούς κ.α. 1
Το 1664 ο Robert Hook περιέγραψε τα καρποσώµατα της κοινής µούχλας χρησιµοποιώντας ένα πρωτόγονο µικροσκόπιο. Επίσης περιέγραψε τα κύτταρα σαν δοµικές µονάδες. Το 1684 ο Ολλανδός ερασιτέχνης κατασκευαστής φακών Antoni van Leeuwenhoek, περιέγραψε µικροοργανισµούς (animalcules) χρησιµοποιώντας µια ιδιοκατασκευή η οποία µπορούσε να µεγεθύνει 300 φορές ένα αντικείµενο. Η αυθόρµητη γένεση Από την εποχή των ανακαλύψεων του Leeuwenhoek το ερώτηµα που απασχολούσε τους επιστήµονες ήταν η προέλευση των µικροοργανισµών σε έναν ζωµό κρέατος ο οποίος αποσυντίθεται. Οι δύο «σχολές» της εποχής πίστευαν είτε στην αυθόρµητη γένεση (θεωρία που ανάγεται στον Αριστοτέλη) ή στην παρουσία σπορίων ή απογόνων των µικροοργανισµών τα οποία µεταφέρονται µε τον αέρα. Ο Ιταλός Lazzaro Spallanzani ήταν ένας από τους πρώτους που στα µέσα του 18 ου αιώνα παρουσίασε αποδείξεις κατά της αυθόρµητης γένεσης (βράσιµο των ζωµών). Στις αρχές του 19 ου αιώνα ο Francois Appert έδειξε ότι καλά βρασµένοι ζωµοί και κλεισµένοι αεροστεγώς δεν αποσυντίθενται. Ο µεγαλύτερος πολέµιος της θεωρίας της αυτόµατης γένεσης ήταν ο Γάλλος χηµικός Louis Paster (1822-1895) 1895) ο οποίος µε αδιάσειστα πειράµατα απέδειξε τον ρόλο των µικροοργανισµών στην αποσύνθεση των οργανικών ενώσεων. Το 1865 ο Lister έθεσε τις βάσεις της αντισηψίας στις χειρουργικές επεµβάσεις. Για τον σκοπό αυτό χρησιµοποιούσε φαινόλη. 2
Το 1876, βασισµένος στην εργασία του Pasteur, ο Robert Koch, (1843-1910) 1910) έθεσε τις βάσεις της κλινικής µικροβιολογίας και του µολυσµατικού ρόλου των µικροοργανισµών θεµελιώνοντας κάποιες αρχές που ισχύουν έως σήµερα (τα αξιώµατα του Koch). Το 1892 ο Iwanowski ανακαλύπτει τους ιούς. Το 1895 ο Ολλανδός βοτανολόγος Beijerinck θέτει τις βάσεις της Γεωργικής Μικροβιολογίας µε τις έρευνες του για τα αζωτοδεσµευτικά βακτήρια και τον ιό της µωσαϊκής του καπνού χρησιµοποιώντας επιλεκτικές καλλιέργειες. Την ίδια εποχή ο Winogradsky αποµόνωσε νιτροποιητικά βακτήρια από το έδαφος χρησιµοποιώντας την στήλη του Winogradsky Ονοµατολογία Το 1929 ο Alexander Fleming ανακαλύπτει την πενικιλίνη και τις αντιβιοτικές της ιδιότητες. Σαν φάρµακο αρχίζει να διατίθεται το 1942. Η ονοµατολογία των βακτηρίων γίνεται µε βάση το διωνυµικό σύστηµα του Λιναίου. Το όνοµα του µικροοργανισµού αποτελείται από ένα σύστηµα δύο λέξεων µε την πρώτη να δηλώνει το γένος και τη δεύτερη το είδος. Vibrio cholerae Staplylococcus aureus Escherichia coli Προσέξτε τον τρόπο γραφής! Υπάρχει όµως και η καθηµερινή ορολογία που βασίζεται σε άλλα χαρακτηριστικά π.χ. κολοβακτηριοειδή. Ταξινόµηση των µικροοργανισµών Είναι τα µικρόβια ζωντανοί οργανισµοί? Μέχρι το 1886 αρκετοί επιστήµονες κατέτασσαν τα µικρόβια στους φυτικούς οργανισµούς. Τότε ο Haeckel εξέφρασε την άποψη για ένα τρίτο βασίλειο: τα πρώτιστα. Το 1977 οι Woese και Fox, ανακάλυψαν την οµάδα των αρχαίων. Σύµφωνα µε την σύγχρονη άποψη τα πρώτιστα αποτελούνται από 3 οµάδες: Ανώτερα πρώτιστα : πρωτόζωα & µύκητες Κατώτερα πρώτιστα : κυανοβακτήρια, βακτήρια κλπ Ιούς: µε µέγεθος 20-300 nm 3
Ευκαρυωτικό Προκαρυωτικό Αδρό ενδοπλασµατικό δίκτυο Πυρήνας Gram + Μαστίγιο Κυτ. µεµβράνη πυρηνοειδές Κυτ. τοίχωµα Gram - Βλεφαρίδες Μιτοχόνδρια Κυτόπλασµα Κάψουλα εσωτ µεµβράνη Ριβοσωµάτια κοκκία εξωτ µεµβράνη κυτ τοίχωµα 19 Πρώτιστα Ανώτερα πρώτιστα (ευκαρυωτικά κύτταρα) Πρωτόζωα και µύκητες Κατώτερα πρώτιστα Κυανοβακτήρια Βακτήρια ή σχιζοµύκητες (Βακτήρια, Μυκοπλάσµατα, Σπειροχαιτιακά, Μυξοµύκητες, Ρικέτσιες, Χλαµύδια) Ιοί (µε µέγεθος 20 300 nm) Αδενοιοί, Ρετροιοί, Βακτηριοφάγοι Ταξινόµηση Η επικρατέστερη ταξινόµηση βασίζεται σε φυσιολογικούς και βιοχηµικούς χαρακτήρες που εφαρµόζονται σύµφωνα µε το σύστηµα της διχοτόµου κλείδας. Η οµάδα του Bergey s manual of determinative bacteriology είναι ο κύριος εκπρόσωπος του παραπάνω τρόπου ταξινόµησης. Σύµφωνα µε την «σχολή» αυτή οι ταξινοµικές βαθµίδες είναι: Βασίλειο: Προκαρυώτες ιαίρεση: Βακτήρια Τάξη: Gram (+) cocci Οικογένεια: Streptococcaceae Γένος: Streptococcus Είδος: pyogenes Υπάρχουν και ταξινοµικές υποκατηγορίες που βοηθούν στον διαχωρισµό ειδών µε σχεδόν ίδια χαρακτηριστικά (οµάδα, ποικιλία, βιότυπος, ορότυπος, λυσίτυπος, στέλεχος) 4
Χαρακτηριστικά ταξινόµησης Μορφολογία Καλλιέργεια σε θρεπτικά υλικά Απαιτήσεις διατροφής Χρησιµοποίηση (ζύµωση) γλυκόζης Φυσιολογικοί και βιοχηµικοί χαρακτήρες Οµάδες, Ποικιλίες, Βιότυποι, Ορότυποι, Λυσίτυποι, Βακτηριοσινότυποι, στελέχη Μελέτη αντιγονικών χαρακτήρων Γενετικοί παράγοντες Πειραµατισµοί σε ζώα Με βάση τη µορφολογία Σχήµα Μέγεθος ιάταξη κυττάρων Παρουσία βλεφαρίδων ή µαστιγίων Παρουσία οργανιδίων ή σπόρων Με βάση την καλλιέργεια σε θρεπτικά υλικά (ή υποστρώµατα) Μορφή αποικίας Σχήµα αποικίας Χρώµα αποικίας Οσµή αποικίας Παρουσία άλλων χαρακτηριστικών («κίνηση») Μεταβολή του υποστρώµατος (αλλαγή του ph του µέσου) Με βάση τις διατροφικές τους απαιτήσεις Αυτότροφα Ετερότροφα Αερόβια Αναερόβια ιάσπαση υδατανθράκων (λακτόζη, µαλτόζη, φρουκτόζη κλπ) Με βάση τους φυσιολογικούς και βιοχηµικούς χαρακτήρες Εύρος θερµοκρασιών ανάπτυξης Θερµόφιλα, ψυχρόφιλα Η παραγωγή διαφόρων ουσιών (ένζυµα, τοξίνες, χρωστικές) Με βάση την µελέτη των αντιγονικών τους χαρακτήρων. Σωµατικό αντιγόνο Αντιγόνο ελύτρου Αντιγόνο βλεφαρίδων 5
Με βάση τους γενετικούς παράγοντες Εκατοστιαία αναλογία των βάσεων G και C Ο επικρατέστερος τύπος υπολογισµού είναι: G+ C x100 G+ C+ A+ T Με βάση τον παθογόνο ή όχι χαρακτήρα τους. Παθογόνα υνητικά παθογόνα Ακίνδυνα Ωφέληµα Άλλοι τρόποι ταξινόµησης Υπάρχουν και άλλοι τρόποι ταξινόµησης όπως η µαθηµατική ταξινόµηση µε βάση τα κοινά βιολογικά χαρακτηριστικά Adansonian Analysis Άλλη µέθοδος είναι η σύγκριση της αλληλουχίας των βάσεων στις υποµονάδες 16S και 18S του ριβοσωµατιακού RNA Μέθοδος εκτίµησης της αλληλουχίας των βάσεων στις υποµονάδες 16S και 18S του ριβοσωµατιακού RNA Φύλλο εργασίας από βάση δεδοµένων της αλληλουχίας 1457 βάσεων του 16S rrna του µικροοργανισµού: Porphyromonas gingivalis W83 Το οικουµενικό φυλογενετικό δέντρο όπως έχει κατασκευαστεί από την σύγκριση της αλληλουχίας των βάσεων στις υποµονάδες 16S και 18S του ριβοσωµατιακού RNA. 6