Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Περιβαλλοντική Μικροβιολογία Οι σημαντικότεροι βιογεωχημικοί κύκλοι και ο ρόλος των μικροοργανισμών.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "Περιβαλλοντική Μικροβιολογία Οι σημαντικότεροι βιογεωχημικοί κύκλοι και ο ρόλος των μικροοργανισμών."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Περιβαλλοντική Μικροβιολογία Οι σημαντικότεροι βιογεωχημικοί κύκλοι και ο ρόλος των μικροοργανισμών

2 Βιογεωχημικός κύκλος

3 Παραγωγοί και αποικοδομητές Ζωή στη Γη: ισορροπία μεταξύ παραγωγής και διάσπασης της οργανικής ύλης Παραγωγοί: πράσινα φυτά κυρίως, αλλά και φωτότροφα και χημειολιθότροφα βακτήρια μέσω της δέσμευσης του CO 2 Αποικοδομητές: χημειοοργανότροφοι μο Διάσπαση της οργανικής ύλης  μετατροπή των οργανικών ενώσεων σε ανόργανα στοιχεία  ανακύκλωση των στοιχείων στη βιόσφαιρα

4 Ρόλος των μικροοργανισμών Ενέργεια που δεσμεύεται από τη σύνθεση των οργανικών ενώσεων  ρέει μέσα από τις μετατροπές και τελικά  εκλύεται ως θερμότητα Ρόλος των μο: δύσκολα προσδιορίζεται γιατί εκτός από τις βιολογικές διαδικασίες, παρεμβαίνουν και μη-βιολογικές (φωτο- χημικές αντιδράσεις, οξειδώσεις κ.α.)

5

6 Βιογεωχημικοί Κύκλοι (Κύκλος του C) Βιογεωχημικοί Κύκλοι (Κύκλος του C)  Σημαντικό ρόλο έχουν οι μο: διασπούν τις οργανικές ενώσεις (αερόβια ή αναερόβια) και παράγεται CO 2, το οποίο χρησιμοποιείται στη φωτοσύνθεση  Συγκέντρωση του CO 2 στην ατμόσφαιρα διατηρείται σταθερή μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσής του: 0.03%  Εάν συνεχιζόταν η φωτοσύνθεση για 10 χρόνια χωρίς την παραγωγή CO 2  εξάντληση των αποθεμάτων του στην ατμόσφαιρα  Εάν συμπεριληφθούν και τα αποθέματα των ωκεανών  2000 χρόνια φωτοσύνθεση

7 (Κύκλος του C)

8  Αναερόβια περιβάλλοντα: μέρος του ανόργανου C μετατρέπεται σε CH 4  οξειδώνεται σε CO 2 από τα μεθυλότροφα βακτήρια ή οξειδώνεται χημικά  Πράσινα φυτά: παράγουν κυρίως σάκχαρα και πολυσακχαρίτες τα οποία χρησιμοποιούν οι καταναλωτές

9 Κύκλος του Η 2 και Ο 2  Εξαρτώνται από τον κύκλο του C  Φωτοσύνθεση: ταυτόχρονη διάσπαση των μορίων του H 2 O σε Η 2 και Ο 2  σύνθεση σακχάρων  Αερόβια αναπνοή: Η των οργανικών ενώσεων οξειδώνεται και παράγεται ενέργεια (ATP) και Η 2 Ο. Διαφορά οξειδοαναγωγικού δυναμικού μεταξύ Η και Ο: πηγή ενέργειας για όλους τους οργανισμούς  Αναερόβιες συνθήκες: διάσπαση δεσμών C-H: πηγή ενέργειας για τους αναερόβιους μο. Διαφορά: δεν γίνεται πλήρης οξείδωση σε Η 2 Ο αλλά μετατρέπεται σε ανηγμένα προϊόντα ζύμωσης

10 Κύκλος του Ο 2

11 Κύκλος του Ν  Διάσπαση οργανικών αζωτούχων ενώσεων: ελευθερώνεται το Ν υπό μορφή ΝΗ 4 + (αμμωνιοποίηση)  Νιτροποίηση  Αναγωγή των ΝΟ 3 -  Δέσμευση αζώτου

12 Κύκλος του S Μετατροπή του S σε SO 3 -2, SO 4 -2, οργανικές ενώσεις και στοιχειακό S με μία σειρά από διαδικασίες

13 Κύκλος του P  Oργανικές ενώσεις: φωσφορικοί εστέρες  Ανόργανη ύλη: ορθοφωσφορικά ιόντα (συνήθως αδιάλυτα  περιοριστικός παράγοντας για την απορρόφηση από τους μο)

14  Ανακύκλωση των στοιχείων εξαρτάται από τη δράση των μο και τις σχέσεις τους με τους υπόλοιπους οργανισμούς  Μελέτη μέσω μεταφοράς των μο (καθαρές καλλιέργειες) σε εργαστηριακές συνθήκες  Δεν μπορεί να γίνει πλήρης απεικόνιση των ιδιοτήτων των μο από το περιβάλλον στο εργαστήριο

15 Κύκλος του C

16 Η ισορροπία  Φωτοσύνθεση (πράσινα φυτά): σύνθεση οργανικών ενώσεων στη Γη  μικρό ποσοστό του C αποθηκεύεται ως ανηγμένες οργανικές ενώσεις (φυσικό αέριο, πετρέλαιο)  CO 2 στην ατμόσφαιρα: 2600* 10 9 t /έτος  Δέσμευση μέσω φωτοσύνθεσης: 129*10 9 t /έτος  Παραγωγή μέσω της αναπνοής φυτών και ζώων: 37* 10 9 t /έτος  Παραγωγή μέσω των μικροβιολογικών διεργασιών διάσπασης των οργ. ενώσεων: 92* 10 9 t /έτος

17 που χάνεται… Συγκέντρωση του CO 2 σταθερή για μεγάλη χρονική περίοδο: 0.03% Συγκέντρωση του CO 2 σταθερή για μεγάλη χρονική περίοδο: 0.03% Τελευταία χρόνια: μικρή αλλά σταθερή αύξηση Τελευταία χρόνια: μικρή αλλά σταθερή αύξηση Οφείλεται στην αύξηση της καύσης των καυσίμων ( t /έτος). Θέμα έντονων συζητήσεων στον πλανήτη Οφείλεται στην αύξηση της καύσης των καυσίμων ( t /έτος). Θέμα έντονων συζητήσεων στον πλανήτη

18 Βιολογικές αλλά και γεωχημικές διεργασίες  Βιόσφαιρα: C βρίσκεται σε οξειδωμένη μορφή (HCO 3 -, CO 3 2- πετρώματα και ωκεανοί)  Ζωντανή και νεκρή οργανική ύλη: C σε οργανικές ενώσεις (ανηγμένη μορφή)  Οι οργανικές ενώσεις μετατρέπονται πάλι σε CO 2 με την αποικοδόμησή τους

19 Αποικοδόμηση  Σύνδεση με τον μεταβολισμό του C και την παραγωγή ενέργειας των οργανισμών  απώλεια δομής και οργάνωσης για την νεκρή οργ. ύλη και απελευθέρωση ανόργανων στοιχείων  Δεν αποικοδομούνται όλες οι οργανικές ενώσεις με τον ίδιο ρυθμό: εύκολες και ανθεκτικές στη μικροβιακή δραστηριότητα (λιγνίνη, χουμικές, πολυφαινόλες, καροτενοειδή κ.α.)  Αναερόβιες συνθήκες: πιο έντονη η ανθεκτικότητα

20 Καλλιέργειες εμπλουτισμού o Φύση: ύπαρξη πολλών και διαφορετικών μικροβιακών πληθυσμών  δεν είναι δυνατή η σύνδεση μεταξύ κάποιας αποικοδομούμενης οργ. ένωσης και ενός μο o Καλ. εμπλουτισμού: εργαλείο για την απομόνωση μο από το περιβάλλον με συγκεκριμένες βιοαποικοδομητικές (μεταβολικές) ιδιότητες o Αρχή: θρεπτικό υπόστρωμα με βασικά ανόργανα άλατα και μόνη πηγή C την χαρακτηριστική ένωση που θέλουμε να αποικοδομήσουμε Εμβολιάζουμε με μικτούς πληθυσμούς από το έδαφος ή από το υδάτινο οικοσύστημα  Θα αναπτυχθούν οι μο που διαθέτουν την μεταβολική δυνατότητα διάσπασης του συγκεκριμένου υποστρώματος  Θα επικρατήσουν οι μο με την μεγαλύτερη ειδική ταχύτητα αύξησης

21 Αποικοδόμηση της οργανικής ύλης  Καθαρή πρωτογενής παραγωγή:8.5*10 20 έως 1.8*10 11 t/έτος στην ξηρά  Καταναλωτές Α’ τάξης: 5%  Αποικοδόμηση: όλο το υπόλοιπο  Αντίστοιχα και στους ωκεανούς (παραγωγοί: φύκη και δινομαστιγωτά)  Ξηρά: ποικιλία οργανικών ενώσεων στην νεκρή οργ. ύλη. Σημαντικότερες: κυτταρίνη, ημικυτταρίνες, πηκτίνες, λιγνίνη

22 Κυτταρίνη  >50% της νεκρής οργανικής ύλης  Πολυσακχαρίτης: β- D-γλυκόζες που πολυμερίζονται (~12000) με β-1,4- γλυκοζιδικούς δεσμούς

23 Ποιοι την αποικοδομούν;  Μύκητες και βακτήρια: διαθέτουν υποχρεωτικά εξωκυτταρικά ένζυμα που υδρολύουν του γλυκοζιδικούς δ.  Μύκητες: τουλάχιστον 3 κατηγορίες ενζύμων  Ενδο-β-1,4-γλυκανάσες: δρουν σε πολυμερή μόνο  Έξω-β-1,4-γλυκανάσες: διασπούν την κυτταρίνη στον δισακχαρίτη κελλοβιόζη, αρχίζοντας από το τέλος  Β-γλυκοσιδάσες: υδρολύουν την κελλοβιόζη  Αναερόβιες συνθήκες: μεσόφιλα και θερμόφιλα κλωστρίδια

24 Μύκητες  Έδαφος: σημαντικότερο ρόλο σε αερόβιες συνθήκες. Ειδικά σε όξινα εδάφη  Ατελείς μύκητες και βασιδιομύκητες  Σημαντικότερα γένη: Fusarium, Trichoderma, Cephalosporium, Truncatella, Gliocladium, Rhizoctonia, Penicillium, Verticillium

25 Βακτήρια  Σημαντικότερα γένη: Cytophaga, Sporocytophaga, Cellulomonas και ακτινοβακτήρια  Διάσπαση της κυτταρίνης στη μεγάλη κοιλία των μυρηκαστικών (50% της ξηράς μάζας της τροφής τους)  Διασπούν την κυτταρίνη  οργ. ενώσεις χαμηλού ΜΒ (οργ. οξέα, αλκοόλες)  Σημαντικότερα είδη: Ruminococcus albus, R.flavefasciens, Bacteroides succinogenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium cellobioparum

26 Ημικυτταρίνες (ξυλάνη) o Πολυμερή: πεντόζες, εξόζες, ουρονικά οξέα o Διασπούν κυρίως μύκητες o Βακτήρια: από τα γένη Bacillus και Sporocytophaga

27 Άμυλο  Σημαντικότερη αποθησαυριστική ουσία των φυτών  Αμυλάσες: μεγάλη ποικιλία βακτηρίων και μυκήτων  Μύκητες: Aspergillus oryzae  Βακτήρια: Bacillus vnacerans  Αναερόβιες συνθήκες: σακχαρολυτικά κλωστρίδια

28 Πηκτίνες  Σύνθετοι πολυσαχαρίτες που βρίσκονται στη φυτική ύλη (φρούτα, κυτ. τοιχώματα κάποιων φυκών)  Αρκετοί μύκητες και βακτήρια  Σύνδεση με φυτοπαθογόνες ιδιότητες π.χ. Botrytis cinerea, Erwinia carotovora  Πηκτινολυτικοί μο στην μεγάλη κοιλία των μυρηκαστικών

29

30 Λιγνίνες  Ξυλώδες τμήμα των φυτών. Εντοπίζονται στο κτ. τοίχωμα συνδεδεμένες με την κυτταρίνη και τις ημικυτταρίνες  18-30% των ξυλωδών ιστών. Από τις πλέον δύσκολα αποικοδομήσιμες οργ. ενώσεις  Σύνθετα πολυμερή. Μονομερή: φαινυλ-προπανοειδείς ενώσεις (π.χ. κονιφερυλική αλκοόλη, κουμαρυλ- και σιναπιλ- αλκοόλες)  Τυχαίος πολυμερισμός των αρωματικών ενώσεων που διαφέρουν στα φυτά

31 Σύμπλεγμα κυτταρίνης και λιγνινών

32

33 Αποικοδόμηση των λιγνινών  Σχεδόν αποκλειστικά από μύκητες (white rot βασιδιομύκητες, κάποιοι ασκομύκητες)  Διάσπαση γίνεται σταδιακά: διάσπαση από αυτούς της λιγνίνης σε μικρότερες ενώσεις και στη συνέχεια από άλλους μύκητες και βακτήρια  Ένζυμα: μονο-οξυγενάσες, δι-οξυγενάσες, φαινολ-οξυγενάσες  Βασιδιομύκητες: διάφορους τύπους σήψης του ξύλου  Φαιά σήψη: στελέχη που αποικοδομούν τη κυτταρίνη & ημικυτταρίνες  ανέπαφες οι λιγνίνες  Λευκή σήψη: στελέχη που διασπούν όλες τις ενώσεις με πρώτα εκείνα που διασπούν τη λιγνίνη και άλλα τη λιγνίνη και κυτταρίνη  Λεπτομέρειες: δεν είναι πλήρως γνωστές

34 white rot βασιδιομύκητες

35

36 Η διαδικασία γίνεται σταδιακά…  Πρώτα αποικοδομούνται οι εύκολα αποικοδομήσιμες ενώσεις, ενώ οι υπόλοιπες παραμένουν στο έδαφος για καιρό  Χουμικές ενώσεις: το μέρος της βιομάζας που σχηματίζει ένα καφέ αδιάλυτο και άμορφο ίζημα (υπόλοιπα μυκηλιακής βιομάζας+λιγνινών)  Φτιάχνεται από τη δράση βακτηρίων, μυκήτων, πρωτόζωων, σκωλήκων  Κάποια βακτήρια, ακτινοβακτήρια, μύκητες παράγουν σκούρες οργανικές ενώσεις που μοιάζουν με τις χουμικές και σε καθαρές καλλιέργειες  Αύξηση του Ν στο κλάσμα αυτό. Από 40:1  10:1 (C:N)  Διάρκεια ζωής: έτη. Εξαρτάται από τον τύπο του εδάφους και του κλίματος  Εδάφη πλούσια σε χουμικές ενώσεις  μεγάλη βιοποικιλότητα σε μο

37 Χουμικές ενώσεις

38 Αποικοδόμηση της νεκρής ζωικής ύλης  Κύριες ενώσεις: χιτίνη και κερατίνη  Χιτίνη: μονομερή Ν-ακετυλ-D-γλυκοζαμίνης ενωμένα με β-1,4-γλυκοζιδικούς δεσμούς  Εξωσκελετός αρθροπόδων και κυτ. τοίχωμα αρκετών μυκήτων  Βακτήρια από τα γένη: Flavobacterium, Bacillus, Pseudomonas, Cytophaga, ακτινοβακτήρια (Streptomyces spp)  Κερατίνη: πρωτείνη από μαλλιά, κέρατα, δέρμα  Λίγοι μο παράγουν κερατινάσες: Keratinomyces spp., Trichophyton spp., Candida albicans

39 Χιτίνη

40 Κερατίνη

41 …και οι υδρογονάνθρακες αποικοδομούνται  Τεράστια ποικιλία οργ. ενώσεων: αλιφατικοί, αρωματικοί υδρογονάνθρακες, αλλά και πρωτείνες, νουκλ. οξέα κ.α.  Υδρογονάνθρακες: παράγονται από μο και φυτά  CH 4 : παράγεται από μεθανογόνα βακτήρια (αναερόβιες συνθήκες) και οξειδώνεται σε αερόβιες από τα βακτηριακά μεθυλότροφα γένη των Methylomonas, Methylococcus, Methanomonas κ.α.

42 …και οι υδρογονάνθρακες αποικοδομούνται  Αλκάνια αλλά και ακόρεστοι υδρογονάνθρακες: βακτήρια από τα γένη Mycobacterium, Rhodococcus, Corynebacterium, Nocardia, Actinomyces, Pseudomonas  …αλλά και ζύμες από τα γένη Candida, Hansenula, Torulopsis  Μύκητες από τα γένη Aspergillus, Botrytis, Fusarium, Cladosporium  Aρωματικοί υδρογονάνθρακες: πιο δύσκολα αποικοδομήσιμοι από βακτήρια και μύκητες

43 Στα υδάτινα οικοσυστήματα; Ίδιες αρχές αλλά και ιδιαιτερότητες… Ίδιες αρχές αλλά και ιδιαιτερότητες… Ποτάμια και γενικά υδάτινα οικοσυστήματα που περνούν μέσα από κατοικημένες περιοχές:οργανικές ενώσεις από αστικά, βιομηχανικά, αγροτικά λύματα Ποτάμια και γενικά υδάτινα οικοσυστήματα που περνούν μέσα από κατοικημένες περιοχές:οργανικές ενώσεις από αστικά, βιομηχανικά, αγροτικά λύματα Βιοαποικοδομησιμότητα των οργ. ενώσεων  μεταβολές στη συγκ. του διαλυμένου Ο 2 Βιοαποικοδομησιμότητα των οργ. ενώσεων  μεταβολές στη συγκ. του διαλυμένου Ο 2 Διαλυτότητα του Ο 2 στο νερό είναι μικρή  αύξηση της μικροβιακής δραστηριότητας μειώνει το Ο 2  αναερόβιες συνθήκες Διαλυτότητα του Ο 2 στο νερό είναι μικρή  αύξηση της μικροβιακής δραστηριότητας μειώνει το Ο 2  αναερόβιες συνθήκες

44

45 Απαίτηση σε Ο 2, μέτρο της μικροβιακής δραστηριότητας  Σχετίζεται με το οργανικό περιεχόμενο στα υδάτινα οικοσυστήματα  Εκφράζεται με δύο μεγέθη: BOD, COD  COD: χημική απαίτηση σε Ο 2 για την οξείδωση όλων των οργανικών ενώσεων που περιέχονται σε ένα δείγμα (χημικά)  BOD: βιολογική απαίτηση σε Ο 2 για την οξείδωση μέσω βιολογικών διαδικασιών των οργανικών ενώσεων που περιέχονται σε ένα δείγμα, σε συγκεκριμένο χρόνο (5 ημέρες)  Η μέτρηση του BOD είναι καλύτερος δείκτης για την δυνατότητα βιοαποικοδόμησης του συστήματος  Καθαρό νερό: κυτ/ml, Νερό με οργανικό φορτίο: > κυτ/ml

46 Όταν δεν υπάρχει πρόβλημα ρύπανσης…  Λίμνες, θάλασσα, ωκεανοί: προέρχεται από φωτοσυνθέτοντες μο  Περιοριστικός παράγοντας για την πρωτογενή παραγωγή στην ανοιχτή θάλασσα: συγκ. Ν και P  C, S: συνήθως σε περίσσεια

47

48 Οργανική ύλη που οδηγείται σε αποικοδόμηση προέρχεται από:  έκκριση οργανικών ενώσεων από φυτοπλαγκτόν, φύκη  Περιττώματα ζώων  Νεκρή οργανική ύλη

49 όταν δεν αποικοδομείται βυθίζεται…  Βυθός: αναερόβιες συνθήκες  ζυμωτικές διαδικασίες  μείωση του pH  αναστολή της αύξησης των περισσότερων μο  συσσώρευση των οργανικών ενώσεων  Αναερόβια αποικοδόμηση: παραγωγή CO 2, H 2, H 2 S, CH 4  Μεθανογόνα και βακτήρια που διασπούν τα SO 4 -2 είναι τα τελευταία στην αναερόβια αλυσίδα

50  SO 4 - άφθονα στο νερό  μεγάλο μέρος της οργανικής ύλης αποικοδομείται μέσω της αναγωγής των θειικών  Τα βακτήρια αυτά είναι προσαρμοσμένα: στη χρήση οργ. οξέων, αλκοολών και H 2 που συσσωρεύονται στη λάσπη του βυθού (10 7 κυτ/ml)

51 Ευχαριστώ!!!


Κατέβασμα ppt "Περιβαλλοντική Μικροβιολογία Οι σημαντικότεροι βιογεωχημικοί κύκλοι και ο ρόλος των μικροοργανισμών."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google