Περιβαλλοντική μικροβιολογία Φυσικά οικοσυστήματα των μικροοργανισμών

Έδαφος, υδάτινο περιβάλλον, ακραία οικοσυστήματα  Οι μικροοργανισμοί εμφανίζονται όπου υπάρχει ζωή  Ανιχνεύονται και σε περιβάλλοντα που δεν είναι ευνοϊκά για άλλες μορφές ζωής (αναερόβιες συνθήκες, οξύτητα, υψηλή αλατότητα)  Τα βακτήρια βρίσκονται παντού διότι:  Έχουν μικρό μέγεθος και μεταφέρονται εύκολα  Διαθέτουν εναλλακτικές μεταβολικές οδούς παραγωγής ενέργειας (αερόβια αναπνοή, αναερόβια, οξείδωση ανόργανων μορίων)  Διαθέτουν τεράστια μεταβολική δυνατότητα  Αρκετά βακτηριακά γένη παρουσιάζουν ανθεκτικότητα σε μη ευνοϊκές συνθήκες

Ποικιλία μικροοργανισμών  Στα περισσότερα οικοσυστήματα ανιχνεύονται πολλά είδη μ.ο. σε χαμηλούς πληθυσμούς. Σε δύσκολες συνθήκες επικρατούν λίγα είδη σε μεγάλους πληθυσμούς  Συχνά ανιχνεύονται τα ίδια γένη σε διαφορετικούς βιότοπους π.χ. ριζόβια, Pseudomonas aeruginosa  Επίσης μ.ο. που ανήκουν σε μία ομάδα με τις ίδιες φυσιολογικές ιδιότητες π.χ. μεθανογόνα βακτήρια

Οι ντόπιοι και οι περαστικοί… Στα φυσικά περιβάλλοντα, οι μ.ο. χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Στα φυσικά περιβάλλοντα, οι μ.ο. χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:  Μόνιμη μικροχλωρίδα (autochthonous):μόνιμο συστατικό του συγκεκριμένου περιβάλλοντος  Περιστασιακή μικροχλωρίδα (allochthonous): εισάγεται τυχαία στο οικοσύστημα και εξαρτάται από τη μεταφορά. Εάν δεν υπάρχει το κατάλληλο υπόστρωμα, τότε πεθαίνει ή παραμένει σε ανθεκτικές μορφές

Χερσαία οικοσυστήματα  Έδαφος: πολύπλοκο μίγμα ανόργανων και οργανικών συστατικών  Καλλιεργούμενα εδάφη: ανόργανα συστατικά 50% του όγκου, οργανικά 10-15%, αέρας και νερό που κατανέμεται με ένα σύστημα πόρων  Ανόργανα εδάφη: προκύπτουν από την αποσάθρωση των πετρωμάτων μέσω φυσικών, χημικών και βιολογικών διεργασιών που συμμετέχουν μ.ο. (φύκη, λειχήνες, μύκητες, βακτήρια) παράγοντας οργανικά οξέα που τα διαβρώνουν  Οργανικά εδάφη: προκύπτουν από την αποικοδόμηση της οργανικής ύλης

Ανόργανα εδάφη

Οργανικά εδάφη

Δομή του εδάφους  Χαρακτηρίζεται από σωματίδια που περιέχουν ανόργανα και οργανικά χαρακτηριστικά και έχουν πολύ μικρούς πόρους– μερικές φορές αδύνατη και η διέλευση των μ.ο.  Συνεχής αποσάθρωση  διαφοροποίηση της εξωτερικής επιφάνειας από τα υποκείμενα στρώματα. Μικρά σωματίδια με αρνητικό φορτίο  έλκει τα θετικά ιόντα, που είναι θρεπτικά συστατικά για τα φυτά  γόνιμα εδάφη, παρουσία φυτών  Η εγκατάσταση τω πρώτων φυτών επηρεάζει την δομή του εδάφους. Έντονη μικροβιακή δραστηριότητα γύρω από τη ρίζα, αποικοδόμηση των φυτικών συστατικών

Δομή του εδάφους  (O) Επιφανειακή ζώνη: εναπόθεση των οργανικών συστατικών φυτικής προέλευσης  (Α) ζώνη: περιέχει οργανικά (χουμικά) και ανόργανα συστατικά  (Β) ζώνη: περιέχει λιγότερα οργανικά και κυρίως ανόργανα. Συσσωρεύονται από τις ανώτερες ζώνες  (C): περιέχει συστατικά των πετρωμάτων που δεν έχουν αποσαρθρωθεί πλήρως και δεν επηρεάζονται άμεσα από βιολογικές διεργασίες

Δομή του εδάφους

Διαστρωμάτωση του εδάφους  Οι ζώνες διαφέρουν ως προς την περιεκτικότητα σε ανόργανα στοιχεία, οργανική ύλη, υφή, χρώμα κ.α. Στους διαφορετικούς τύπους εδαφών επηρεάζεται η κατανομή τους  Χουμικές ενώσεις: μίγμα λιγνίνης και προϊόντα μ.ο. Σταθερές ενώσεις δεν διασπώνται εύκολα. Η αποικοδόμηση είναι χρονοβόρα διαδικασία και εξαρτάται από τις συνθήκες

Φυσικο-χημικές συνθήκες Νερό Νερό o Το περιεχόμενο σε νερό του εδάφους δεν αντιστοιχεί στην ποσότητα που μπορούν να προσλάβουν οι μ.ο. ή τα φυτά o Πρόσληψη νερού από το έδαφος: πολύπλοκη διαδικασία που επηρεάζεται από παράγοντες που ελέγχουν την προσροφητικότητα και τη διαλυτότητα o Υδατικό δυναμικό: έργο που πρέπει να καταβάλει ένας μ.ο. για να παραλάβει νερό από το έδαφος

Φυσικο-χημικές συνθήκες Επιφάνεια προσκόλλησης των μ.ο. Επιφάνεια προσκόλλησης των μ.ο. o Αποικίζουν ένα πολύ μικρό μέρος της επιφάνειας του εδάφους o Σημαντικό ρόλο παίζουν τα αργιλώδη σωματίδια, στην διαδικασία προσκόλλησης o Εργαστηριακές τεχνικές για την απομόνωση μ.ο. από το έδαφος – δυσκολία o Για την προσκόλληση χρησιμοποιούν είτε ειδικά εξαρτήματα (σμήριγγες, ινίδια), είτε εκκρίνουν κολλώδεις ουσίες (πολυσακχαρίτες)

Προσκόλληση μο στα σωματίδια του εδάφους

Φυσικο-χημικές συνθήκες Ανταλλαγή αερίων Ανταλλαγή αερίων o Οι πόροι του εδάφους γεμίζουν από νερό ή από αέρα o Αργή η ανταλλαγή αερίων με τον ατμοσφαιρικό αέρα  διαφορετική σύσταση στους θύλακες o Το Ο 2 βρίσκεται σε ίχνη, ενώ αυξάνεται το CO 2. Στο έδαφος η pCO 2 : atm, ενώ στην ατμόσφαιρα atm

Πόροι του εδάφους

Φυσικο-χημικές συνθήκες Τα υποστρώματα των μο στο έδαφος Τα υποστρώματα των μο στο έδαφος o Προέρχονται από την πρωτογενή παραγωγή. Τα φυτοφάγα ζώα μεταβολίζουν συγκεκριμένες ενώσεις και τα κύρια συστατικά των φυτών διασπώνται από τους μο o Εναπόθεση νεκρής οργανικής ύλης: 1.5 * τόνοι /έτος o 1 ο έτος: αποικοδόμηση 40-60% κυτταρίνης+ πρωτεϊνών. Επόμενα 5 χρόνια: 20%. Επόμενα 5 χρόνια: 20%. Κάποιες αρωματικές ενώσεις (τανίνες, μελανίνη): χιλιάδες χρόνια Κάποιες αρωματικές ενώσεις (τανίνες, μελανίνη): χιλιάδες χρόνια

Οι μικροοργανισμοί του εδάφους  Βακτήρια, πρωτόζωα, μύκητες φύκη  Η παρουσία τους εξαρτάται από: τον τύπο του εδάφους, εποχιακή διακύμανση, βάθος, θερμοκρασία, υγρασία κ.α.  Δύσκολη η εκτίμηση των πληθυσμών με καλλιεργητικές μεθόδους (ανομοιογένεια, απουσία γενικευμένου υποστρώματος, μη αποκόλληση)  Μοριακές τεχνικές βασισμένες στην ανίχνευση μορίων DNA – μη καλλιεργητικές τεχνικές

Απομόνωση μο από το έδαφος με καλλιεργητικές τεχνικές

Μελέτη της μικροβιακής κοινότητας με μη-καλλιεργητικές τεχνικές (απομόνωση DNA)

Βακτήρια  Επικρατούν τα Gram+ βακτήρια  Κορυνοειδή, Arthrobacter spp., Bacillus spp., Micrococcus spp:~70%  Μεταξύ των Gram-: Pseudomonas spp., Flavobacterium spp., Alcaligenes spp.  Αναερόβια βακτήρια: Clostridium spp  Acinetobacter spp., Agrobacterium spp., Brevibacterium spp., Cellulomonas spp., Corynebacterium spp., Nocardia spp., Streptomyces spp.

Βακτήρια του εδάφους Pseudomonas aeruginosa Bacillus spp.

Βακτήρια του εδάφους

Βακτήρια  O αριθμός τους εξαρτάται από: το οργανικό φορτίο του εδάφους, την υγρασία, τη θερμοκρασία, το pH  Bacillus spp.:  σε στρες θερμοκρασίας, υγρασίας λόγω ενδοσπορίων  Υψηλότεροι πληθυσμοί κοντά στη ριζόσφαιρα  Αναερόβια απαντώνται όχι στα βαθύτερα στρώματα αλλά και στην επιφάνεια  Ειδικές κατηγορίες : αζωτοδεσμευτικά, νιτροποιά, θειο-οξειδωτικά κ.α. αποτελούν ένα μικρό μέρος του συνόλου  Κυανοβακτήρια: οι πρώτοι αποικιστές ιδιαίτερα σε αλκαλικές συνθήκες

Ακτινομύκητες ή ακτινοβακτήρια Streptomyces spp.

Κυανοβακτήρια

Μύκητες, Φύκη, Πρωτόζωα  Ατελείς μύκητες: Penicillium spp., Aspergillus spp., Cephalosporium spp., Cladosporium spp. Μυκοριζικοί μύκητες  Εύκολη η απομόνωσή τους λόγω των κονιδίων  Φύκη: 1% της συνολικής βιομάζας  Πρωτόζωα: 1% της συνολικής βιομάζας  Απομόνωση σε τρυβλία: υπερτερούν τα βακτήρια σε αριθμό (πιο γρήγορα). Η βιομάζα των μυκήτων είναι 10Χ αυτής των βακτηρίων. Η μεταβολική δραστηριότητα των βακτηρίων είναι μεγαλύτερη

Μύκητες

Μύκητες

Μύκητες

Πρωτόζωα

Φύκη

Φύκη

Συμβίωση λειχηνών- κυανοβακτηρίων-μυκήτων σε ημιάγονο έδαφος

Συνθήκες επιβίωσης σε ένα σκληρό περιβάλλον… Μεταφέρονται με τα σωματίδια της σκόνης μέσω του αέρα Έχουν αναπτύξει διάφορους μηχανισμούς για την επιβίωσή τους στο έδαφος: ενδοσπόρια (Bacillus spp., Clostridium spp.), σπόρια (μύκητες, ακτινοβακτήρια)

Ενδοσπόρια του Bacillus anthracis

Σπόρια μυκήτων (κονίδια)

Ποια είναι η τύχη των παθογόνων στο έδαφος;  Τα περισσότερα εξαφανίζονται γρήγορα  Τα εντεροβακτήρια π.χ. Shigella spp. επιβιώνουν 6-39 ημέρες, Salmonella spp. 6 εβδομάδες. Proteus spp. υπο- 10Χ σε 6 ημέρες 10Χ σε 6 ημέρες  Clamydia spp., Coxiella burnetti επιζούν για μήνες ή για χρόνια  Φυτοπαθογόνα: Pseudomonas solanacearum, επιζεί για 2 χρόνια Xanthomonas campestis για 2 εβδομάδες

Γεμάτο διαφορετικά μικρο- περιβάλλοντα !!!  Μικρο-περιβάλλον: Ο μικροχώρος που ζουν τα κύτταρα το ένα δίπλα στο άλλο και γίνονται όλες οι μεταβολικές τους αντιδράσεις και ανταλλαγές  Κάποιοι περιβαλλοντικοί παράγοντες π.χ. θερμοκρασία, πίεση μπορεί να είναι ίδιοι στο μικρο- και στο μακρο- περιβάλλον που το περιβάλλει, ενώ άλλοι διαφέρουν π.χ. τα θρεπτικά συστατικά, το pH, η υγρασία  Δεν είναι εύκολο να προσδιοριστούν όλοι οι παράμετροι σε ένα μικρο-περιβάλλον λόγω τεχνικών δυσκολιών (χημική σύσταση ή μερική πίεση του O 2 γύρω από μία αποικία)  Σε ένα μικρο-περιβάλλον τοπικές περιβαλλοντικές μεταβολές μπορεί να επηρεάσουν την αναλογία των μο χωρίς αυτό να επηρεάσει τις συνθήκες στο μακρο- περιβάλλον, π.χ. οι συνθήκες O 2 μπορεί να διαφέρουν δραστικά σε πολύ μικρές αποστάσεις

Μικρο-περιβάλλον

Έδαφος-νερό: μακρο-περιβάλλοντα  Η έννοια του μικροπεριβάλλοντος έχει μεταβάλλει πολύ τις διαφορές μεταξύ του εδαφικού και υδάτινου οικοσυστήματος  Έδαφος – Λάσπη του βυθού: περιέχουν μικρο-περιβάλλοντα που εναλλάσσονται η στερεά και η υγρή φάση με διαφορετική αναλογία, όπου ζει μία μεγάλη ποικιλία μο, από το άνυδρο ερημικό έως το θαλάσσιο υδάτινο  Σε ομογενή περιβάλλοντα (υδάτινη φάση ωκεανών) υπάρχει μεγαλύτερη ομοιογένεια μεταξύ των μο

Διαβάθμιση φυσικο-χημικών συνθηκών στη φύση για τους μο σε αντίθεση με τις εργαστηριακές συνθήκες  Συνθήκες Ο 2 : στο έδαφος οι πιο μεγάλοι πόροι μπορεί να περιέχουν αέρα και να αναπτύσσονται αερόβιοι μο, δίπλα όμως πιο μικροί πόροι μπορεί να είναι γεμάτοι νερό  αναερόβιο περιβάλλον λόγω της μικροβιακής δραστηριότητας και της μικρής διαλυτότητας του οξυγόνου στο νερό  Προσκόλληση σε επιφάνεια: στη φύση οι μο προσκολλώνται σε επιφάνειες και αυξάνονται γεγονός που καθορίζει την οικολογική συμπεριφορά τους. Στο έδαφος υπάρχουν σωματίδια διαφόρων μεγεθών. Η διάμετρος του σωματιδίου ως προς τον λόγο επιφάνεια/μονάδα μάζας του σωματιδίου που διατίθεται για ανάπτυξη μο είναι αντίστροφα μεγέθη

Διαβάθμιση φυσικο-χημικών συνθηκών στη φύση για τους μο σε αντίθεση με τις εργαστηριακές συνθήκες  Κατανομή θρεπτικών συστατικών: σε πολλά περιβάλλοντα είναι κάθετη π.χ. στάσιμα νερά, έδαφος  Στάσιμα νερά: τα θρεπτικά συστατικά διαχέονται από τον πυθμένα προς την επιφάνεια  διαβάθμιση συγκέντρωσης διαλ. οργανικών οξέων, H 2 S, O 2, CO 2  Έδαφος: η στερεά ύλη αποικοδομείται στην επιφάνεια του εδάφους αερόβια ή αναερόβια (συνθήκες αερισμού και υγρασίας) και μεταφέρεται προς τα κάτω. Επηρεάζεται η κατανομή των μικροβιακών πληθυσμών. Το έδαφος όμως είναι ετερογενές και οι διαβαθμίσεις αυτές δεν είναι εύκολα αναγνωρίσιμες όπως στα υδάτινα οικοσυστήματα!

Ο κόσμος του εδάφους

Ευχαριστώ!!!!