NYUGAT-MAGYARORSZÁGI EGYETEM Mezőgazdaság- és Élelmiszer-tudományi Kar Mosonmagyaróvár MIKROBIOLÓGIA ELŐADÁS Alapképzési (BSc) szakok A MIKROORGANIZMUSOK A TERMÉSZETBEN Prof. Dr. Varga László egyetemi tanár
A MIKROORGANIZMUSOK EREDETE ÉS HELYE AZ ÉLŐLÉNYEK KÖZÖTT
A földi élőlények kialakulása I. A Föld kora: 4,5-4,6 milliárd év. A Föld kérge (a legősibb kőzet): 3,86 milliárd év. A korai Föld (első néhányszáz millió év): forró (>100 C), víz csak a felszín lehűlése után jelent meg oxigénmentes (redukáló hatású), gázok (CH 4, CO 2, N 2, NH 3, H 2 S, FeS) UV, villámlás, radioaktivitás, vulkáni tevékenység cukrok, aminosavak, nukleotidok, zsírsavak, piroszőlősav stb. polimerizáció bonyolultabb szerves vegyületek. RNS alapú élet sejtes életformák (ábra ). A legrégibb cianobaktérium: kb. 3,5 milliárd év. A feltételek megteremtődése után tehát szinte azonnal (300-400 millió év múlva) megjelent az élet. Korai baktériumok: egyszerű fotoszintézis (fényenergia). Később: megjelentek a vízbontásra képes élőlények O 2 szabadult fel.
A földi élőlények kialakulása II. Oxigén-légkör: 2 milliárd év. Felgyorsult az evolúció sebessége. O 2 + kis hullámhosszúságú UV-sugárzás O 3. Az ózonpajzs védelmet nyújtott a DNSkárosító UV-sugarakkal szemben megteremtődtek a magasabb rendű élőlények kialakulásának feltételei. Az aerobok jóval több E-t tudtak felszabadítani a szerves szubsztrátokból, mint az anaerobok nagyobb sejtsűrűség megnőtt az új típusú anyagcsereutak (mikroorganizmusok) kialakulásának esélye. Az első többsejtű: 600 millió év. 2008, Franceville (Gabon): 2,1 milliárd éves, fosszilizálódott élőlények, 10-12 cm-es méret. A ma is mert legősibb többsejtű eukarioták: 1,5 Mrd évvel korábban jelentek meg, mint még nemrég is gondoltuk? Dinoszauruszok: 230 millió év. Homo sapiens: 150 ezer év.
A földi élőlények kialakulása III. A mikroorganizmusok helye az élőlények között: Az élőlények többsége morfológiai és fiziológiai alapon könnyen megkülönböztethető: Sejtfal: növényeknél van, állatoknál nincs. Táplálkozás: autotrófia (növények), heterotrófia (állatok). A mikrobáknál e tekintetben vannak átfedések A fotoszintetizáló algák számos faja az állati szervezetekhez hasonlóan helyváltoztató mozgást végez. Az élőlények csoportosítása ma már biokémiai/genetikai jellemzők alapján történik: PROKARIÓTÁK & EUKARIÓTÁK.
A prokarióta és az eukarióta sejt összehasonlítása
A mikroorganizmus-csoportok áttekintése A prokarióta cianobaktériumok átmenetet képeznek a baktériumok és az eukarióta algák között. Ugyanazokat a klorofilltípusokat tartalmazzák, mint az algák, és a víz oxidálása révén molekuláris O 2 -t termelnek. (Fotoszintetizáló baktériumok: bakterioklorofill, O 2 -felszabadulás nincs.)
Molekuláris filogenezis I. Molekuláris biológiai módszerek kialakulása. Robbanásszerű fejlődés a mikrobiológiában. Feltárult a mikroorganizmusok biodiverzitása. Molekuláris filogenezis megismerése. DNS-t alkotó nukleotidok sorrendjének teljes feltérképezése több száz mikroorganizmusban. Elegendő a DNS egy-egy részletének nukleotid-sorrendjét pontosan ismerni. A riboszómákban található nukleinsavak a legalkalmasabbak erre a célra. rrns összetétele: jellemző, stabil, konzervatív, változatlanul megőrződő tulajdonság. Riboszóma kis alegysége: a nukleotid-sorrend információ-tartalma nagy, de még viszonylag könnyen szekvenálható. Baktériumok: 16S rrns. A baktérium-riboszóma 30S-es (kis) alegységének atomi szerkezete (21S fehérje, 16S rrns)
Molekuláris filogenezis II. Carl Richard WOESE (1928-2012) 1977: Archaea Egyetemes törzsfa
Baktériumok, archeák és eukarioták összehasonlítása
Feltételezett evolúciós kapcsolatok az élő szervezetek főbb csoportjai között Az eukarióták E-termelő organellumai (mitokondriumok, kloroplasztiszok) endoszimbiózis útján jöttek létre: őseik valaha önálló baktériumok lehettek. A földi élet 3,5 milliárd éves időintervallumának 80%- a során (az utolsó 600 millió évet leszámítva) kizárólag mikrobiális élet létezett!
A MIKROORGANIZMUSOK ELŐFORDULÁSA, SZEREPE ÉS JELENTŐSÉGE A TERMÉSZETBEN
A mikroorganizmusok előfordulása a természetben Rendkívül nagy faj- és egyedszámban fordulnak elő a bioszférában: hasznosak, károsak, semlegesek. Alig van olyan hely, ahol ne lennének jelen: levegőben, talajban, édes és sós vizekben, különféle tárgyakon, növényeken, állatok/ember testfelületén, bélrendszerében. Előfordulásuk (szaporodásuk) legfontosabb feltételei: nedvesség, hőmérséklet, szerves anyag. Széles körű elterjedtségüket magas fokú alkalmazkodóképességüknek köszönhetik.
A mikroorganizmusok szerepe és jelentősége Anyagok (C, N, P, S) körforgalma, mineralizáció. Szerves és szervetlen anyagok (pl. műanyagok) lebontása. Élelmiszerek előállítása. Alkoholgyártás. Bonyolult szerkezetű hatóanyagok bioszintetikus előállítása. Szennyvíztisztítás. Takarmányok előállítása. Gyógyszeripari felhasználás (hormonok, antibiotikumok). Tesztszervezetként történő alkalmazás. Stb. Sokkal nagyobb számban léteznek az ember számára hasznos mikrobák, mint a károsak. Nehezebb feladat környezetünk hasznos mikroflórájának megőrzése, mint a káros, pl. betegséget okozó fajok visszaszorítása.
Mikroorganizmusok a talajban I. A mikrobák számára a talaj az egyik legmegfelelőbb biotóp. Talajbeli elterjedésük meghatározói: nedvességtartalom, hőmérséklet, talajtípus (szerves anyagok). A legfelső rétegben van a legtöbb mikroba (átlagos termőtalaj: 10 8 CFU/g), mert itt a legnagyobb az O 2 -koncentráció. Gátló tényezők: kiszáradás, UV-sugárzás a legfelső néhány cm-es réteg mikrobaszegény. Hőmérséklettől és nedvességtől függő évszakos periodicitás: maximum: tavasz, ősz; minimum: nyár, tél. Nedvességtartalom: ha nő, csökken a talajban a levegő (O 2 ) mennyisége anaerob körülmények.
Mikroorganizmusok a talajban II. Hőmérséklet: alkalmazkodnak az adott égöv hőmérsékleti viszonyaihoz. Pl. a nitrátképzők hőmérsékleti optimuma a mérsékelt övben: kb. 25 C, a sarki égöv alatt: 6-8 C. Termofil mikroszervezetek csak az istállótrágyázott talajokban fordulnak elő. Szerves anyagok: döntő hatást gyakorolnak a talaj-mikroorganizmusok élettevékenységére. Szerves anyagban leggazdagabb az erdőtalaj (levél és ágtörmelék), de sok benne a baktériumok számára nehezen bontható anyag + savas a kémhatása nem ebben található a legtöbb baktérium. A kémhatás is befolyásol: savanyú talajokban inkább a gombák, közel semlegesekben a baktériumok tevékenykednek. A szerves anyagok állandó változásban vannak a talajban, mennyiségük nem nő jelentős mértékben: humifikáció vs mineralizáció. A mikroorganizmusok mindkét folyamatban jelentős szerepet játszanak.
Mikroorganizmusok a vízben I. Természetes vizek mikroorganizmusai: autochton (bennszülött) fajok, allochton (ideiglenes) fajok, rövid élettartalmúak (pl. kolera és tífusz korokozói), ubikvisták. A mikrobák forrása: talaj, trágya, állati és növényi hulladékok, levegő stb. A vízben található mikrobák életfeltételeit meghatározza: kémhatás, hőmérséklet, O 2 -tartalom, szerves anyagok mennyisége, sótartalom, sugárhatások erőssége.
Mikroorganizmusok a vízben II. Egészen különböző feltételek: állóvizek fenék rész, parti rész, nyílt víztér. folyóvizek (sodrás erőssége). A vizek mikroorganizmusainak lokalizáció szerinti csoportosítása: Plankton: a nyílt vízben szabadon élnek. fitoplankton (baktériumok, algák, gombák), zooplankton (protozoonok), nanoplankton (ostorosok), baktériumplankton. Bentosz: különféle felületeken telepszenek meg. epifita (növények felszínére telepedők), epizoa (állatok felszínén élők), epipelon (iszaplakók), epiliton (sziklára települők), epipszammon (homokszemcsékre települők). Neuszton: közvetlenül a víz felszínén találhatók.
Mikroorganizmusok a vízben III. Természetes vizek mikroba-szennyezettsége: Csapadékvíz (eső, hó, jég) Jelentékeny számban fordulnak elő benne a mikrobák. A talajról kerülnek a levegőbe, ahonnan a csapadékkal jutnak a vizek felületére. Felszíni vizek (patak, folyó, tó, tenger) Az utóbbi időben megnőtt a szennyezettségük. E tekintetben különösen veszélyesek a tehenészetekből, vágóhidakról, kórházakból származó szennyvizek. Állóvizekben több az autochton fajok száma, mint a folyóvizekben. Mélységi vizek (talajvíz, forrásvíz) Kevés mikroorganizmus található bennük, mert a mélységbe lejutó víz számos szűrő talajrétegen megy keresztül. A vízben szaprofita és parazita mikroorganizmusok egyaránt előfordulhatnak. Tiszta víz: zöldalgák, fotoszintetizáló baktériumok, vasbaktériumok (Fe-tartalmú vizekben), kénbaktériumok (H 2 S-tartalmú vizekben).
Mikroorganizmusok a vízben IV. A fertőzött víz járványok terjesztője lehet: 1845-1930: Nyugat-Európában több mint száz, ivóvízzel kapcsolatos tífuszjárvány, >100.000 megbetegedés. A víz egészségügyi (bakteriológiai) ellenőrzése: Aerob mikroorganizmus-szám 20-22 C-on (72 h): 100 CFU/cm 3, Aerob mikroorganizmus-szám 37 C-on (24 h): 20 CFU/cm 3, Escherichia coli és egyéb kóliformok: nem kimutatható 250 cm 3 -ben, Enterococcus spp.: nem kimutatható 250 cm 3 -ben, Pseudomonas aeruginosa: nem kimutatható 250 cm 3 -ben, Szulfitredukáló anaerob spóraképzők: nem kimutatható 50 cm 3 -ben. Paraziták és kórokozó mikroorganizmusok: nem fordulnak elő a teljes termékmennyiségben. A vizsgálatok módszerei: lemezöntés, membránszűrés.
Mikroorganizmusok a levegőben I. A levegő nem steril, de mikroflórája csekély, összetétele pedig a véletlen műve: nincs jellegzetes, saját mikroflórája. Nincsenek meg benne a mikrobák szaporodását lehetővé tevő feltételek. A levegő-mikroflóra összetétele leginkább az alatta lévő talaj mikroflórájától függ. A levegőbeli mikrobajelenlét okai: alig nehezebbek a levegőnél (kb. 10-12 g) lassan ülepszenek le, porrészecskékhez való tapadás. Mennyiségüket (faj- és egyedszámukat) a levegő szennyezettsége határozza meg (szennyezettség porszemcsék mikroorganizmusok). A szennyzettség befolyásoló tényezői: időjárás, éghajlat, településsűrűség, évszak, napszak, talajborítottság.
Mikroorganizmusok a levegőben II. A mikrobák élő állapotban 7 km magasságig feljutnak, a spórák akár a troposzféra felső határáig (11-12 km) is. A levegő mikroorganizmusai zömmel szaprofiták (egyes zárt helyiségek kivételt képeznek), jelentőségük: közegészségügyi, gazdasági és ipari szempontból egyaránt jelentős. Szabad légkör: Legszennyezettebb: ipari nagyvárosok levegője. Kevéssé szennyezett: erdők, füves területek felett. Egyáltalán nem szennyezett: óceánok, tengerek (a parttól 100 km-nél beljebb), jégmezők, gleccserek, magashegységek felett. Legtöbb por: nyáron és délután. Legkevesebb por: télen és kora reggel.
Mikroorganizmusok a levegőben III. Zárt helyiségek: általában több a mikroba, mint a szabad légkörben. Különösen télen igaz ez, amikor az emberek sokat tartózkodnak benn. Legszennyezettebb terek: középületek, kórházak, közlekedési eszközök, várótermek, iskolák stb. Légköbméterenként több százezer mikroba. A patogén mikrobák levegő útján történő terjedése lehetséges, de ritka. A porképződés megakadályozása: környezetvédelmi, tisztasági és közegészségügyi szempontból egyaránt fontos. Különösen nagy gondot kell fordítani a levegő tisztaságra pl.: élelmiszer-üzemekben, biológiai laboratóriumokban, oltóanyag-termelő üzemekben. A levegő mikrobamentesítésére használt módszerek:: kémiai (hipokloritok, tejsav stb. elporlasztása), fizikai (UV-besugárzás).
Mikroorganizmusok az élelmiszerekben I. Hatás szerinti csoportosításuk: hasznosak (segítik az élelmiszerek előállítását, feldolgozását, finomítását), romlást okozók, kórokozók (mérgezések, fertőzések). Eredet szerinti csoportosításuk: eleve megtalálhatók az élelmiszerben, nem higiénikus viszonyok közötti tárolás/feldolgozás/elosztás során kerülnek oda. szándékos (tervszerű) emberi tevékenység által jutnak be. Gyümölcs- és zöldségfélék: Főleg a talajból, porból származnak, de az ember közreműködésével is szennyeződhetnek. A mikroflóra a zöldség, ill. gyümölcs faja/fajtája szerint változik. Jelentős különbségek vannak az érett és az éretlen gyümölcsök között. A gyümölcs burka/héja véd, az éretlen gyümölcs leve pedig kifejezetten mikrobagátló hatású. A héj sérülése lehetővé teszi a mikroorganizmusok behatolását. A patogének többsége elpusztul a gyümölcsök savas kémhatásától.
Mikroorganizmusok az élelmiszerekben II. Nyers hús és hústermékek: A hús kezdeti mikroorganizmus-száma kicsi (ha egészséges állattól származik). A szennyeződés másodlagosan (a feldolgozás során) jön létre. A hűtés csak rövid ideig biztosít védelmet a romlás ellen (pszichrotrófok). Legszennyezettebb: darált hús (akár 10 7 CFU/g). Legkevésbé szennyezett: füstölt/szárított hústermékek. Nyers tej: A tej kitűnő táptalaj: tápanyagokban gazdag, nagy a vízaktivitása, fejés után optimális a hőmérséklete. Mikroorganizmusok forrása: fejés környezete (tehén, fejő, levegő, trágya, alom stb.), tejjel érintkező felületek (ma már ez a meghatározó!). Követelmény: Mikroorganizmus-szám: <100.000 CFU/cm 3, Staphylococcus aureus-szám: m = 500, M = 2000 (n = 5, c = 2).
Mikroorganizmusok az élelmiszerekben III. Tojás: Már friss állapotban is erősen szennyezett lehet. A tyúktojásnak a kutikula nyújt védelmet, nem szabad megmosni a tojást! Szalmonella: 1 faj, 7 alfaj, kb. 2500 szerotípus. Pl.: Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium. Hastífusz (enterális láz): emberről emberre, a fertőzéshez 10 5 sejt szükséges, évente néhány eset, 10%-os halálozás. Szalmonellózis (gasztroenteritisz): élelmiszerek útján terjed, 10 3-10 5 sejt felvétele váltja ki a betegséget, évente néhány ezres esetszám, <1% halálozás. A szalmonellózisos esetek kb. felét tojásos ételek fogyasztása okozza. Campylobacter jejuni, C. coli: mikroaerofilek (3-5% O 2, 2-10% CO 2 ) és termofilek (42 C). A gamma-proteobaktériumok egyik családjába tartoznak. Élelmiszerek útján terjednek, infekciós dózisuk kicsi (10-100 sejt). A megbetegedés tünetei: (véres) hasmenés, láz, hasüregi görcsök. 5-8 nap alatt zajlik le, gyulladásos szövődmények előfordulhatnak. A fertőzés legfőbb forrása a nyers baromfihús: a csirkehúsok 20-100%-a fertőzött C. jejunival.
Mikroorganizmusok az élelmiszerekben IV. Élelmiszer okozta mérgezések, ételmérgezések (foodborne intoxications) előidézői: az élelmiszerekben elszaporodó baktériumok által termelt exotoxinok vagy a gombák toxinjai; az élelmiszerben előforduló különféle méreganyagok; idegen, mérgező kémiai anyagok, amelyek szennyeződésként vagy szándékosan kerültek az élelmiszerbe (adalékanyagok). Élelmiszerek okozta fertőzések: ételfertőzések (foodborne infections) előidézői: Az élelmiszerben lévő fertőző mikroorganizmusok (vírusok, baktériumok, paraziták). Ide tartoznak azok a baktériumok, amelyek az élelmiszerben elszaporodva jutnak be a fogyasztó szervezetébe. A baktérium pusztulása után, a sejt lízise révén kiszabadulnak az endotoxinok (sejtfalkomponensek). Jellegzetes tünetekkel (fejfájás, hányás, hasmenés) járó megbetegedéseket váltanak ki. A magyar szóhasználatban ételmérgezés elnevezéssel jelölhetjük az intoxikációt és az infekciót is. Célszerű lenne a toxikoinfekció elnevezés bevezetése egyes kórokozók esetében (pl. Clostridium perfingens), ui. a mikroba elszaporodása és az általa termelt toxin egyaránt szerepel a betegségek patomechanizmusában.
Mikroorganizmusok a növényi eredetű takarmányokban A szabadföldi mikroflóra határozza meg a mikroba-összetételt. A takarmánykészítési eljárások döntő hatást gyakorolnak a termékekben található baktériumok és gombák mennyiségére: szennyezettek: gabonafélék és azok korpái; kevéssé szennyezett: gabonafélékből, hüvelyesekből és olajos magvakból előállított, préselt vagy extrahált takarmányok. Kórokozók esetében a takarmányok e szervezeteknek csak hordozói. A vírusok és az obligát fitopatogén gombák gyakorta inaktív, ill. elhalt állapotban vannak jelen. Baktériumok: leginkább az Enterobacteriaceae család tagjai (Klebsiella, Serratia, Escherichia, Citrobacter, Proteus fajok) fertőznek. Gombák: mikotoxin-termelésük miatt különösen veszélyesek! Szántóföldi flóra. Alternaria, Fusarium, Cladosporium, Helminthosporium fajok. Fejlődésükhöz 20-30% nedvesség szükséges. Raktári flóra. Mucor (30% körüli nedvességtartalom-igény), Penicillium (18-25%) és Aspergillus (14-20%) fajok. Morfológiailag: élesztő- és penészgombák.
Mikroorganizmusok a növényi, állati és emberi szervezetekben I. Az interakciók igen sokrétűek: lebontó és felépítő folyamatok, szimbiózis (pillangósok gyökérgümőiben), valódi parazitizmus. Növények: a fertőző növényi betegségek előidézésében a baktériumok alárendelt szerepet játszanak a gombákkal szemben (kb. 250 bakteriális növénybetegség és 3000 gombás). Állatok, ember: A mikrobák fő telephelyei: bélcsatorna, bőrfelület, függelékek, nyálkahártyák. Jellegük szerint: kórokozók (paraziták), ártalmatlan szaprofitonok, jótékony hatásúak.
Mikroorganizmusok a növényi, állati és emberi szervezetekben II. Jótékony hatású mikroorganizmusok pl.: Kérődzők bendőbaktériumai: a bendőfolyadékban cm 3 -enként 10 9-10 10 baktériumsejt (jellemzően, de nem kizárólag obligát anaerobok); cellulózemésztést végeznek; könnyen felvehető fehérjéket, zsírsavakat, vitaminokat szintetizálnak. Humán (és állati) szervezet: probiotikus hatású mikroorganizmusok (részletesen másutt!)
Köszönöm a figyelmet!