EKOLOGIE MIKROORGANISMŮ 1. Iva Buriánková Struktura přednášek •Vznik života, vývoj prvních mikroorganismů, historie mikrobiální ekologie •Charakteristika mikrobiálního života – metabolismus, růst, reprodukce •Diverzita mikroorganismů – bakterie, archaea, protista (eukarya), houby, řasy, viry •Mikrobi a ekosystémy (vody, půda, vzduch), populační ekologie •Interakce mezi mikrobi - neutralismus, komenzálismus, kompetice, parazitismus… •Interakce mezi mezi mikrobi a rostlinami/živočichy •Mikrobiální komunity – kolonizace. Potravní sítě, produktivita, koloběh energie •Vliv mikrobů na biogeochemické cykly •Dekompozice org.látek – čistírny odpadních vod, bioplynové stanice, bioremediace (přeměna rizikové látky na netoxické ) •Metody studia mikroorganismů (vzorkování, kultivace, mikroskopie, molekulární přístupy – metagenomika, proteomika, stabilní izotopy…) • • • Zakončení –ústní ZK / ppt – text? • Doporučená literatura Němec (1986): Ekologie mikroorganismů Atlas-Bartha: Microbial Ecology: Fundamentals and applications (1981 – 1st ed.; 1998 - 4th ed.) Barton-Northup: Microbial Ecology (2011) Osborn-Smith: Molecular Microbial Ecology D. Sylvia et al: Principles and Applications of Soil Mikrobiology http://www.cts.cuni.cz/~storch/publications/Storch_&_Mihulka_1997.pdf Since 1974… Ekologie Haeckel-kolibříci • 1869 – Ernst Haeckel: „Vzájemné působení mezi organismy a jejich prostředím (řecky „oikos“=domov), organismy ve „svém“ prostředí • 1972 – J. R. Krebs: „Vědecké studium interakcí, které ovlivňují výskyt a hojnost organismů v prostoru a v čase“. (interakce-popisují právě vztah mezi org. a prostředím) • Dnes je kladen důraz na evoluci! Studium vzniku adaptivních mechanismů Haeckel - biogenetický zákon - ontogeneze je zkráceným opakováním fylogeneze Co je tedy to „prostředí“ z definice? • Podmínky prostředí – „nevyčerpatelné“ • Zdroje – „vyčerpatelné“ •„Enemies“ – predátoři aj. Souhrn všech faktorů, zdrojů a jevů vně organismu, které na tento organismus působí a nějak ho ovlivňují J. R. Krebs: „Vědecké studium interakcí, které ovlivňují výskyt a hojnost organismů v prostoru a v čase“. (interakce-popisují právě vztah mezi org. a prostředím).“ A co předmět studia ekologie - „organismus“? A. molekulární (DNA): biochemie, molekulární biologie B. buněčná (jádro, organely, apod.): cytologie, genetika C. orgánová (pletiva, orgány): anatomie, morfologie, fyziologie, ekofyziologie D. organismální (individua, formy): vývojová biologie, systematika, autekologie E. populační (populace, kohorty): genetika, populační ekologie F. biocenotická (společenstva): ekologie společenstev, biocenologie G. ekosystémová (ekosystémy, biomy): ekologie ekosystémů H. geosystémová (krajina, biosféra): krajinná ekologie (?), biogeografie Záběr ekologie jako celku je poměrně široký… …každé odvětví, disciplína ekologie, pracuje v odlišných měřítcích, škálách, řeší trochu jiné problémy, ale vždy prostřednictvím dvou hlavních přístupů: proximátního (JAK?) a ultimativního (PROČ?) • Ekofyziologie – ekologie jedince (druhu), studuje mechanismy adaptace na faktory prostředí. Proč kachna nepřimrzne nohama k ledu, nebo se nepodchladí? Jak snáší endotermové teploty hluboko pod bodem mrazu? Proč velbloud vydrží tak dlouho bez vody atd. • Populační ekologie: jak kolísá počet jedinců v populaci pod vlivem prostředí, co všechno je ovlivňuje? (lumík norský,sarančata..)… • Ekologie společenstev: kolik druhů tvoří společenstva, proč právě tolik, hot-spots biodiverzity ve světě, energomateriálové toky ekosystémem… 011407%20Lemus Ekologii ve všech jejích dílčích oborech sjednocuje několik zásad, společných rysů, paradigmat.. 1. Slovo „ekologický“ lze chápat správně pouze ve vztahu k evoluci, interakcím mezi organismy a prostředím! (jinými organismy, abiotickými faktory atd.) emu1 ? = Nesmysl! Btw.: Pokud dojde k určitému typu průmyslové havárie, např. k vypuštění toxických chemikálií do vody, jedná se o vznik jisté interakce mezi působící podmínkou prostředí (byť antropogenně podmíněnou) a ekosystémem řeky, přičemž se po čase ustaví nová dynamická rovnováha…jedná se tedy o ekologický proces, změny v biocenózách! „ekologický papír“ „ekologické auto“ „neekologické chování“ 2. „Pro dobro druhu“ se v přírodě nehraje - žádný organismus není evolučně selektován aby konal k prospěchu druhu (byť vlastního). Přírodní sekce favorizuje jedince nesoucí geny s cílem být maximálně reprodukčně úspěšný (= fitness) a to i tehdy pokud by mělo dojít k úhynu daného jedince. Jednotkou přírodního výběru není jedinec, jak je v současnosti převládajícím zvykem, natož pak skupina či druh, ale gen, základní jednotka dědičnosti (viz „Sobecký gen“, R. Dawkins) Pokud hovoříme o altruismu, jedná se zpravidla o nepravý (příbuzenský) altruismus! (viz sociální hmyz, zejména blanokřídlí – kastovní systém, rozmnožování omezeno na pár jedinců – královny, ostatní se pomáhají starat o potomstvo. Proč? Potomstvo je blízce příbuzné, péčí o něj dělnice propaguje své vlastní geny. 3. Ústřední roli hrají geny a prostředí - výskyt druhů je dán jak podmínkami prostředí tak jejich genetickou výbavou (genotyp). Podmínky prostředí i genotyp ovlivňují základní charakteristiky jako natalitu, rychlost růstu, mortalitu apod. Interakcí genů a podmínek prostředí vzniká fenotyp (to co u organismů pozorujeme). K pochopení ekologie adaptací organismů tedy musíme znát jak povahu jejich genetické výbavy, tak podmínek prostředí a jejich souvztažnost (někdy je limitní prostředí, jindy geny). DNA Zebras,_Serengeti_savana_plains,_Tanzania Ayers rock Prostřednictvím různé reprodukční úspěšnosti genů dochází k vzniku adaptací na celou škálu typů prostředí. ME – úhly pohledu •Autekologie – ekologie organismů a „druhů“. •Procesy v systému – „black box“: transformace látek vč. „nežádoucích“, koloběh, regulace, bilance, produkce… •Dnes je (už) možná kombinace. •Hygienické aspekty • Mikroorganismy - definice •bakterie •archea •……………………………… •houby •řasy • prvoci • viry • •3 hlavní domény života : • •Procaryota – Bacteria • - Archea • •Eucaryota - Eucarya • tree of life Mikroorganismus je jednobuněčný, pouze mikroskopicky pozorovatelný organismus. Často tvoří různé kolonie, shluky, případně i symbiotická společenstva s jinými organismy. Řadí se mezi převážně prokaryota (bakterie, archea, ale patří k nim také např. plísně, kvasinky, některé řasy a prvoci). Díky široké rozmanitosti metabolických drah, rychlosti rozmnožování a schopnosti dlouho přežívat nepříznivé podmínky se mikroorganizmy vyskytují téměř všude. Charakteristické rysy Prokaryot •Jaderný ekvivalent 10-20% objemu buňky, haploidní – jedna cyklická molekula DNA • •Absence organel • •Ribozómy: 2 jednotky RNA (30S + 50S, suma 70S) • •Složení buňky (sušina): 3% jádro, 40% ribozómy; nebo: 1/3 proteiny, 2/3 RNA • •Plasmidy • •Stěna – peptidoglykan • •Plynové „vakuoly“ • •Jiné - „bičíky“ atd… • •Netvoří tkáně, ale konsorcia… • • Charakteristické rysy Prokaryot (funkční): •Často anaerobióza, fixace N •Absence fagocytózy •Absence sterolů v membránách (vzácně Cyanobakterie a Mykoplasmy) • •Fotosyntéza (fotolýza H2O): oxygenní Cyanobaktérie anoxygenní – ostatní (občas) •Chemolitotrofie • •Neschopnost tvořit tkáně, ale organizace v konsorciích různých metabolických typů • skenovat0037a skenovat0037a Prokaryotická vs. Eukaryotická buňka Diagram of procaryote Diagram of eucaryote Mikrobiální ekologie •Inter(multi)disciplinární obor, vztahy, původ a evoluce života • •Klasifikace prokaryot (biochemie, fyziologie, morfologie) • •Bacteria vs. Archaea – komplikovaná klasifikace, nejasná definice prokaryot • •Těží z klasické mikrobiologie založené na přímé identifikaci • •Exponenciální nárůst dat díky molekulární biologii • •Z toho vyplývající změny „stromu života“ • • • • • Mikrobiální ekologie •od jednotlivé buňky po studium ekosystémů • •různé typy mikroorganismů • •různé přístupy a metody • •vychází ze studií různých přírodovědných oborů • •v současnosti kladen důraz na pochopení struktury mikrobiální komunity v prostředí • •klíč k pochopení je identifikace – kultivace vs. molekulární přístupy • •studium enzymatické aktivity i adaptace mikroorganismů na prostředí přispívají k poznání fyziologie i ekologie mikroorganismů • • Hlavní otázky v mikrobiální ekologii •Které mikroorganismy jsou přítomné? • •Jaká je role jednotlivých „druhů“? • •Jaké interakce se vyskytují v mikrobiálním prostředí? • •Jak mění mikroorganismy své prostředí? • Kořeny mikrobiální ekologie •hluboko v historii lidstva, před poznáním vlastních bakterií lidé hledali způsob, jak uchovat potraviny •častá fermentace mléka, zeleniny, ovoce •fermentace šťáv • nakládání ovoce a zeleniny • • • Pickles 1 kg zeleniny (500 g bílého či červeného hlávkového zelí, 300 g mrkve a 200 g cibule) 2 polévkové lžíce mořské soli lžička drceného či mletého kmínu vhodná kvasná nádoba ze skla či keramiky Nakrouhat, smíchat, zatížit, kvasit 2-6 dní v pokojové teplotě J •svrchních 2,5 cm půdy – více mikrobů než eukaryot nad zemí • •odhad 5x1030 prokaryot – více než polovina živé protoplasmy na Zemi • •počet bakterií v lidském těle je o řád vyšší než počet buněk, které ho tvoří • •obrovský vliv prokaryot na eukaryota • •analýza mikrobiomu kůže člověka – velmi podobný a přesto unikátní pro jednotlivce • •speciální techniky pěstování rýže – nyní víme, že podporují růst dusík fixujících cyanobakterií • • •Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) • •obchodník s textilem v Delftu v Holandsku (nebyl bohatý), nezískal žádné vyšší vzdělání •zručný, zvídavý s otevřenou myslí nezatíženou vědeckými dogmaty jeho doby •zdokonalil metodu mikroskopování (své mikroskopy si sám vyráběl a zároveň uměl vyrobit přesné skleněné kuličky, které používal jako čočky) • •1675 – první pozorování jednobuněčných organismů - animacules •spermie ,bakterie, kvasinky, volně žijící a parazitické protista, mikroskopická nematoda a rotifery •popsal krevní buňky a objevil krevní vlásečnice (kapilár), svalová vlákna, krvinky •poprvé uviděl bakterie v zubním hlenu (1683) • •Uveden do Royal Society ho uvedl Reinier de Graaf (fyzik) •-1673 první publikace v Philosophical Transactions (Royal Society) • • • • • • • • • • • • • • • • • ... po Leeuwenhoekovi málo pokroku v mikrobiální ekologii... • • •Louis Pasteur (1822-1895) • •Pasteur objevil mikroorganismy jako původce chorob •vyvinul vakcíny, vyvolávající infekční imunitu (obrannou schopnost organismu) •u cholery drůbeže - v pokusech omylem použil oslabenou kulturu, která nezpůsobila choleru a tyto zvířata se mu ani později nepodařilo infikovat virulentní kulturou bakterií •u vztekliny (vakcína připravena z vysušené míchy nakažených králíků, vyzkoušena jen na 11 psech, 1885 aplikace na dítěti po pokousání vzteklým psem, nemoc se neprojevila – riziko nákazy je cca 15%) •antrax (Bacillus anthracis )u hospodářských zvířat, původce chorob bource morušového • •výroba dalších vakcín, založení prvního Pasteurova Institutu • • • 1857 - důkaz že kvašení je biologický proces vázaný na živé mikroorganismy = Pasteurův efekt • (někteří mikrobi se mohou vyvíjet a žít bez kyslíku) •vypracoval postup pro ochranu potravinářských tekutin proti znehodnocení dalším kvašením • •aerace kultury kvasinek zvýší produkci biomasy, ale sníží produkci alkoholu • •spotřeba glukosy u fakultativně anaerobních buněk je podstatně vyšší za anaerobních podmínek (glykolýza – 2ATP) než za podmínek aerobních (citrátový cyklus a dýchací řetězec – 38 ATP) •Sergei Winogradsky 1856-1953 • •chemolitotrofie, role mikroorganismů v koloběhu živin • považován za zakladatele půdní mikrobiologie • • 1890 izolace nitrifikačních bakterií •anaerobní N-fixující bakterie Clostridium pasteurianum •přispěl k studiu redukce nitrátu a symbiotické fixace dusíku •izoloval a popsal nitrifikační bakterie včetně významu přeměny amonného kationu na nitrátový anion, který se lehce vyplaví z pudy • •mikrobiální oxidaci sirovodíku a síry, oxidaci dvojmocného železa • •započal nutriční dělení půdních mikroorganismu na autochtonní (využívající humus,rostoucí na půdní org. hmotě) a na zymogenní/alochtonní (oportunní bakterie rostoucí na listech a jiné rostl. hmotě a živočišných odpadech přicházejících do půdy) • •Chemolitotrofní organismy (1892)- získávání energie oxidací anorganických látek, zatím je známa jen u bakterií • •fotosyntetizující sinice – jediné bakterie uvolňující O2 při fotosyntéze do vody (mají vrchní vrstvy – opouzdřené bakterie) •Martinus Beijerink (1851-1931) • •mikrobiální transformace, reakce biochemických cyklů a kritické role mikrobů pro přeměnu prvků v globálním měřítku •nepříjemná osoba (botanik, lihovar, Technical University of Delft, svobodný) •znám pro svůj asketický životní styl a jeho pohled na vědu a manželství byl značně neslučitelný • •s Winogradskym vyvinul techniku obohacovací kultury (živné půdy) • •izoloval bakterie symbioticke a nesymbiotické fixace dusíku • - Azobacter, Rhizobium •izoloval bakterie redukce sulfátů Desulfovibrio • Lactobacillus •1898 - jako první používá termín "virus" při jeho experimentech • s tabákovou mozaikou • • • Badatelé významní pro další pochopení role mikrobů v cyklických procesech • •Roger Stanier •katabolickými procesy, sinicemi a ostatními fotosyntetizujícími bakteriemi •vysvětlil způsob účinku streptomycinu a odhalil detaily buněčné diferenciace zvláštních bakterií • Caulobacter, zkoumal pseudomonády •také obhajoval dělení života na eukaryota a prokaryota • •Albert Kluyver •mikrobiální fyziologie, různé oxidativní, fermentativní a chemoautotrofní mikroorganismy •srovnávací přístup – sjednocující rysy v různorodém mikrobiálním světě • •Cornelius Bernardus van Niel • směřoval významné vědce k vysvětlení chemie fotosyntézy •zvláště významné práce na fototrofii •upozornil na významnou podobnost H2S a H2O ve fotoprocesech fototrofních • sirných bakterií a fotosyntetizujících rostlin •založil tradici letních kurzů mikrobiální ekologie • •Alexander Fleming •1929– Penicillium x Staphylococcus – ekologie •dodnes velký význam pozorování interakcí 2 organismů •důležité i pro ekologii • • • • ? Vzestup ekologie ve 20. století •60. léta 20. století •důsledek 2. světové války •obrovsky technologický a ekonomický rozvoj •alarm - populační exploze •zhoršování kvality životního prostředí •vyčerpání neobnovitelných zdrojů •téměř neomezená možnost podmanit si a využít Zemi •zároveň neschopnost regulovat populaci • a rozumně obhospodařovat omezené zdroje Země •nutná regulace populace • limity pro technologický a ekonomický růst • omezení znečišťování, obnovitelné zdroje….. • DDT – bioakumulace, hormonální disruptor (rakovina prsu, snížené množství a kvalita spermií) •Od 1970s…. •snaha o spojení porozumění přirozené role mikrobů v životním prostředí s jejich využitím pro udržování a zlepšování kvality životního prostředí • • bioremediace •zemědělské praktiky (hnojeni, škůdci,…) •modifikace průmyslových procesů – redukce polutantů biodegradovatelné materiály • •1972 International Symposium on Modern Methods in Microbial Ecology in Uppsala, Sweden • •Vztah mikrobiální ekologie a ekologie (všeobecné) a environmentálních věd •jejich oddělení plyne z rozdílných přístupů •makroekolog pracuje venku •mikrobiální ekolog v laboratoři • Současná perspektiva ME •studium vlivu prostředí na růst a rozvoj mikroorganismů • •selekce vlivem nejen fyzikálních a chemických změn prostředí • •význam biologické adaptace bakterií a archaea – optimalizace využití dostupných zdrojů živin pro vlastní růst • •prokaryota – ideální systém pro rychlou genetickou evoluci – horizontální přenos genů zajišťuje produkci potomstva s různým genotypem i fenotypem • •paradox biologie - chybějící fosilie mikroorganismů přes jejich evoluční úspěch • •význam v koloběhu prvků •ve struktuře společenstev •v interakcích s jinými formami života • • Mikrobi a člověk jsou dvě extrémní formy jedné živé hmoty. Život na této planetě se obejde bez lidí, nikoliv však bez mikrobů. Adolf Branald • •Děkuji za pozornost