Περιβαλλοντική Μικροβιολογία

Παρουσίαση με θέμα: "Περιβαλλοντική Μικροβιολογία"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

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

2 Κύκλος του Ν

3 Σημαντικότερες μορφές του Ν στη βιόσφαιρα
Ν2, ΝΗ3, R-NH2, NO3- Ατμόσφαιρα: τεράστιες ποσότητες , Λιθόσφαιρα και ειδικά στους ωκεανούς: πολύ μικρή ποσότητα Ν στην ατμόσφαιρα: * 109t N φυτική βιομάζα ξηράς: 12* 109t N νεκρή οργανική ύλη ξηράς: 300* 109t Ν φυτική βιομάζα ωκεανών: 0.3* 109t Ν νεκρή οργανική ύλη ωκεανών: 550* 109t

4

5 Μετατροπές των μορφών του Ν
Ν2 στην ατμόσφαιρα αδρανές  Αζωτοδέσμευση 2* 108t Ν/ έτος Η παραγωγή βιομάζας στηρίζεται στην παρουσία: ΝΗ4+ και ΝΟ3- ΝΗ4+ : προέρχονται από την αποικοδόμηση των πρωτεϊνών, αμινοξέων της νεκρής ζωϊκής και φυτικής ύλης R-NH2: βιολογικά συστήματα  Αμμωνιοποίηση  ΝΗ3 (ΝΗ4+) * 1010t/ έτος ΝΗ4+ που δεν ενσωματώνονται στη βιομάζα  Νιτροποίηση (παραγωγή ΝΟ3-): βακτήρια σε αερόβιες συνθήκες ΝΟ3- : χρησιμοποιούνται από φυτά και μο Απονιτροποίηση: μετατροπή των ΝΟ3- σε αναερόβιες συνθήκες από βακτήρια σε Ν2, Ν2Ο (αέρια) Ισορροπία στην δέσμευση αζώτου και στην απώλεια αζώτου με την απονιτροποίηση

6 Αμμωνιοποίηση Αποικοδόμηση της οργανικής ύλης (αερόβια+αναερόβια)  παράλληλη παραγωγή ΝΗ3 ΝΗ4+:Ανακύκλωση των από τα φυτά και τους μο. Αναερόβιες συνθήκες: σταθερά τα ΝΗ4+ Απώλεια ~15% Ν λόγω εξάτμισης Ουδέτερο pH: επικρατούν τα ΝΗ4+

7 Ενζυμικές οδοί παραγωγής ΝΗ3
Η διαδικασία παραγωγής ΝΗ3 από τη διάσπαση των αμινοξέων γίνεται με διάφορες ενζυμικές οδούς όπως: Οξειδωτική: γλουταμινικό  2-οξυγλουταρικό + ΝΗ3 (πολύ σημαντική διαδικασία στον μεταβολισμό των αμινοξέων) Παράλληλη δημιουργία ακόρεστων δεσμών: ασπαρτικό  φουμαρικό +ΝΗ3 Υδρολυτική: ουρία  ΝΗ3+CO2

8 Νιτροποίηση Αερόβια διαδικασία οξείδωσης της ΝΗ3 σε ΝΟ2- και σε ΝΟ3-: χημειολιθότροφα νιτροποιά βακτήρια ΝΗ O2  ΝΟ2- + 2Η+ + Η2Ο +276KJ NO O2  NO KJ Συνθήκες: >200mV οξειδοαναγωγικό δυναμικό και pH: 7-8 ΝΟ3- : υδατοδιαλυτά και ξεπλένονται εύκολα από το έδαφος με τη βροχή  διαδικασία που δεν ευνοεί τα καλλιεργήσιμα εδάφη ΝΗ4+ : τα οποία έλκονται από τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα του αργίλου και δεν ξεπλένονται

9 Νιτροποίηση

10 Νιτροποίηση (μικροοργανισμοί)
Χημειολιθότροφοι: δεσμεύουν CO2 από την ατμόσφαιρα (πηγή C) και παίρνουν ενέργεια από την οξείδωση ανηγμένων αζωτούχων ενώσεων Βακτηριακά γένη: Nitrosomonas, Nitrospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio, Nitrosococcus, Nitrobacter (αργοί μικροοργανισμοί) Έδαφος: κυτ/g εδάφους Προκαλείται μείωση του pH Πιστεύεται ότι νιτροποίηση γίνεται και από μη-χημειολιθότροφα βακτήρια (ετερότροφα) και από μύκητες, σε μικρό ποσοστό. Έτσι εξηγείται η παραγωγή ΝΟ3- σε όξινα εδάφη

11 Νιτροποίηση (μικροοργανισμοί)

12

13 Απονιτροποίηση Διαδικασία μετατροπής των ΝΟ3- ή των ΝΟ2- σε Ν2, ή/και σε Ν2Ο, ΝΟ μέσω των μο Αερόβια βακτήρια σε συνθήκες χαμηλής συγκ. Ο2. Τα ΝΟ3- λειτουργούν ως τελικός δέκτης e στην αναπνοή Διαδικασία που παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον γιατί: Απώλεια αζώτου υπό μορφή αερίου, σημαίνει μείωση της λιπαντικής ικανότητας των εδαφών Απελευθέρωση στην ατμόσφαιρα αέριων ενώσεων (Ν2Ο, ΝΟ) πιθανόν να προκαλεί βλάβες στη στοιβάδα του όζοντος  αύξηση των λιπασμάτων προκαλεί βλάβη στη στοιβάδα του Ο3 Εξισορροπεί την δέσμευση του αζώτου Πιθανή χρήση της διαδικασίας αυτής τεχνητά για την απομάκρυνση νιτρικών από απόβλητα

14 Απονιτροποίηση

15 Απονιτροποίηση Αντιπροσωπευτικά γένη βακτηρίων που παίρνουν μέρος στην απονιτροποίηση: Bacillus, Pseudomonas (P.fluorescens), Hyphomicrobium, Spirillum, Moraxella, Thiobacillus Παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία της απονιτροποίησης είναι: Μερική πίεση οξυγόνου (αναερόβιες συνθήκες αναστέλλεται και επικρατεί η αναερόβια μετατροπή των ΝΟ3- σε ΝΗ4+) Συγκέντρωση των ΝΟ2- (αύξηση την αναστέλλει) Παρουσία βαρέων μετάλλων την αναστέλλει pH του εδάφους (όξινο την αναστέλλει)

16 Αύξηση των ΝΟ3- στο έδαφος (λιπάσματα)  και στο πόσιμο νερό  και στα λαχανικά μπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήματα υγείας Τα ΝΟ3- καταλήγουν στο έντερο και ανάγονται σε ΝΟ2- από τους μο. Τα ΝΟ2- εισέρχονται στην κυκλοφορία του αίματος και η αιμογλοβίνη μετατρέπεται σε μεθ-αιμογλοβίνη, με αποτέλεσμα να μην μπορεί να συνδεθεί μαζί της το Ο2 και έτσι σταματά η μεταφορά του  κυάνωση Εμφανίζεται σε νεογνά < 6μηνών, όπου τα βακτήρια αυτά αφού περάσουν ανέπαφα από το στομάχι επικρατούν

17 Μετατροπή των NO3- σε ΝΗ4+ σε αναερόβιες συνθήκες
Διαδικασία που συμβαίνει κυρίως σε αναερόβια εδάφη, όπου συγκρατούν υγρασία Αναερόβιοι θύλακες δημιουργούνται ακόμη και σε εδάφη που έχουν αερόβιες συνθήκες Συμμετέχουν στελέχη των βακτηριακών γενών Enterobacter, Escherichia, Bacillus, Micrococcus, Mycobacterium, Staphylococcus, Vibrio και Clostridium

18 Αζωτοδέσμευση Δέσμευση του ατμοσφαιρικού Ν2 και μετατροπή του σε οργανική μορφή. Εξισορροπεί τη διαδικασία της απονιτροποίησης Γίνεται μόνο από βακτήρια Hellriegel, : δημοσίευση για πρώτη φορά του ευεργετικού ρόλου στην αζωτοδέσμευση, των φυματίων (ψυχανθή φυτά) Winogradsky, 1890: Απομόνωση για πρώτη φορά αζωτοδεσμευτικού ελεύθερου αναερόβιου βακτηρίου (Clostridium pasteurianum) Beijerick, 1901: Απομόνωση για πρώτη φορά αζωτοδεσμευτικού ελεύθερου αερόβιου βακτηρίου (Azotobacter chroococcum)

19 Αζωτοδέσμευση Συνολική αζωτοδέσμευση: 276*106 t/έτος
Το μεγαλύτερο τμήμα γίνεται από τα συμβιωτικά με φυτά βακτήρια: Rhizobium, Frankia (φυμάτια), Azospirillum, Azotobacter paspali, Klebsiella (ριζόσφαιρα) Από τα ελεύθερα διαβιώντα, τα αερόβια: Azotobacter, μεθυλότροφα που οξειδώνουν CH4, κυανοβακτήρια Αναερόβια: Clostridium, Desulfovibrio

20 Αζωτοδέσμευση (συμβιωτικά βακτήρια)

21 Azotobacter spp.

22 Αζωτοδέσμευση Η αζωτοδέσμευση επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες:
Υγρασία του εδάφους Θερμοκρασία οργανικά υποστρώματα Κυανοβακτήρια: φωτοσυνθέτουν + δεσμεύουν άζωτο  εγκαθίσταται πρώτα σε φτωχά οικοσυστήματα Αποτελούν την κύρια τροφή των μυρηκαστικών στη τούνδρα μαζί με μύκητες και λειχήνες Water blooms: σε υδάτινα οικοσυστήματα Anabaena azollae: λίπασμα σε ριζοχώραφα

23 Κυανοβακτήρια

24 Κυανοβακτήρια

25 Μελλοντικές εφαρμογές
Σημαντική η συμβολή των αζωτοδεσμευτικών βακτηρίων στη Γεωργία για φυσική λίπανση Έχουν γίνει προσπάθειες συγκαλλιέργειας Μεγάλο βιοτεχνολογικό ενδιαφέρον Διαγονιδιακά φυτά: περιέχουν τα γονίδια για την αζωτοδέσμευση

26 Κύκλος του S

27 Κύκλος του S 1% της ξηράς βιομάζας
Σημαντικό στοιχείο των κυττάρων. Έμβια ύλη: (θειούχα αμινοξέα) κυστείνη, ομοκυστείνη, κυστίνη, μεθειονίνη (αυξητικοί παράγοντες) θειαμίνη, βιοτίνη, λιποϊκό οξύ Μορφές του S στον κύκλο: S, H2S, SO3-2, SO4-2 Κάποιες μετατροπές γίνονται μόνο από βακτήρια Μικροοργανισμοί & φυτά χρησιμοποιούν: SO4-2 Ζώα χρησιμοποιούν: ανηγμένες ενώσεις

28 Υπερέχουν σε S τα θαλάσσια οικοσυστήματα!!
Χερσαία οικοσυστήματα: ζωντανή βιομάζα 25-40*108t S Νεκρή βιομάζα  35-60*108t S Ωκεανοί: ~14 *1014t S θαλάσσια οικοσυστήματα: 28 mM S  περισσότερο S από Ο2  50% της οργανικής ύλης αποικοδομείται αναερόβια με παρ/λη αναγωγή των SO4-2

29 Χερσαία οικοσυστήματα
Λιθόσφαιρα: FeS το οποίο οξειδώνεται σε SO4-2 βιολογικά και χημικά Τα SO4-2 παραλαμβάνονται από τους μο & τα φυτά και ανάγονται  τελικά προϊόντα: σουλφυδρυλικές ενώσεις (R-SH)  μέρος της βιομάζας (τροφικές αλυσίδες) Οι R-SH διασπώνται και παράγεται H2S: H2SH++HS- σε pH=7 H2S2H++S-2 σε pH>7 H2S σε pH<7 Oι μορφές: HS- και S-2 είναι υδατοδιαλυτές, ενώ το H2S είναι αέριο HS- : χρησιμοποιείται από βακτήρια

30 Τι γίνεται το H2S που παράγεται;
Στον αέρα μετατρέπεται σε SO2 και SO3, τα οποία μέσω της βροχής επανέρχονται στη λιθόσφαιρα ως SO4-2 Η2S: πηγή ενέργειας από αερόβια χημειολιθότροφα βακτήρια (θειοβάκιλλοι, Beggiatora, Thiothrix, Thiovolum) Θειοβάκιλλοι: οι περισσότεροι είναι χημειοαυτότροφοι + δεσμεύουν CO2, ενώ άλλοι διασπούν οργανικές ενώσεις Sulfolobus acidocaldarius: γεωθερμικές πηγές Thiobacillus denitrificans: ανάγει και ΝΟ3- Thiobacillus thiooxidans: παράγει H2SO4 pH:0-2 Προσπάθεια χρήσης των θειοβακίλλων στη γεωργία για την οξίνιση των αλκαλικών εδαφών

31 Thiobacillus spp. Thiothrix spp.

32 Τι γίνεται το H2S που παράγεται (αναερόβιες συνθήκες);
Χρησιμοποιείται από φωτότροφα βακτήρια  οξειδώνουν και συσσωρεύουν S ενδοκυτταρικά ή εξωκυτταρικά (Ectothiorhodospira, Chlorobium)

33 Πως παράγεται το H2S από τη διάσπαση οργανικών ενώσεων (R-SH) ;
Παράγεται από στελέχη των αναερόβιων Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfomonas, Desulfobacter, Desulfococcus, στο έδαφος κα στον βυθό λιμνών, θαλασσών Έδαφος: <103 κυτ/g εδάφους, σε υγρά εδάφη Βυθός: ~107 κυτ/g λάσπης

34 Desulfovibrio spp., Desulfobacter spp.

35 …και στα υδάτινα οικοσυστήματα;
Θαλάσσια οικοσυστήματα (υψηλή συγκ. SO4-2 ) αποικοδόμηση των οργ. ενώσεων και παραγωγή Η2S. Μαύρη απόχρωση βυθού: αντιδρά με Fe2+ και παράγεται FeS Ρύπανση: μεγάλη παραγωγή Η2S  τοξικό για το οικοσύστημα Λίμνες (χαμηλή συγκ. SO4-2) αποικοδόμηση των οργ. ενώσεων και παραγωγή CH4

36 Ο ρόλος των μικροοργανισμών στην αποικοδόμηση ανθρωπογενών ρύπων

37 Ξενοβιοτικές ενώσεις Χημικές συνθετικές νέες ενώσεις που συσσωρεύονται στη βιόσφαιρα προερχόμενες από την έντονη εκβιομηχάνιση ή από τη γεωργία, όπως συνθετικά πολυμερή, απορρυπαντικά, παρασιτοκτόνα Δεν αποικοδομούνται σύντομα και συσσωρεύονται σε υψηλές συγκεντρώσεις Κάποιες διασπώνται μερικά με χημικές ή φωτοχημικές αντιδράσεις και στη συνέχεια μπορεί να διασπαστούν βιολογικά Πολλές είναι καρκινογόνες ή προκαλούν τερατογενέσεις, στον άνθρωπο και στα ζώα

38 DDT και άλλα… Κλασικό παράδειγμα, το DDT οποίο συσσωρεύεται στη τροφική αλυσίδα και απαγορεύτηκε, αν και η χρήση του συνεχίζεται σε κάποιες χώρες Αν και κάποιες ενώσεις (παρασιτοκτόνα) χρησιμοποιούνται σε μικρές συγκεντρώσεις, εισέρχονται στη τροφική αλυσίδα και μεταφέρονται στους ανώτερους καταναλωτές με αποτέλεσμα να αυξάνει η συγκέντρωσή τους (Χ103 έως 106): Βιολογική συσσώρευση

39 Βιολογική συσσώρευση του DDT

40

41 Ανθεκτικότητα στη μικροβιακή διάσπαση
Η ανθεκτικότητα μπορεί να οφείλεται σε διάφορους λόγους: Χημική δομή της ένωσης. Ενώσεις με ανθρακικές αλυσίδες με διακλαδώσεις, πολλά άτομα Cl ή ΝΟ2- ή SO32- σε αλειφατικές ενώσεις, αρωματικές ενώσεις, παρουσιάζουν δυσκολία στην αποικοδόμησή τους Έλλειψη κατάλληλων ενζυμικών συστημάτων από τους αποικοδομητές Απαίτηση για κατάλληλες περιβαλλοντικές συνθήκες π.χ. απαραίτητη η παρουσία Ο2 για την αποικοδόμηση των υδρογονανθράκων και των αρωματικών ενώσεων Σε πολλά βακτήρια η αποικοδόμηση ελέγχεται από γονίδια που βρίσκονται σε πλασμίδια

42 Παράλληλη οξείδωση Παράλληλη οξείδωση (cooxidation, cometabolism): κάποια άλλη οργανική ένωση λειτουργεί ως πηγή C, ενώ παράλληλα μετατρέπεται και η ξενοβιοτική ένωση σε κάποια άλλη μορφή που μπορεί να είναι βιοαποικοδομήσιμη ή όχι Οι διαδικασίες αυτές συμβαίνουν στη φύση με πολύ αργούς ρυθμούς και δεν είναι πλήρως γνωστοί

43 Ταχύτητα εισόδου των ξενοβιοτικών στο περιβάλλον
Στη φύση η παραγωγή νέων οργανικών ενώσεων κράτησε εκατομμύρια χρόνια με παράλληλα τη δημιουργία νέων ειδών που μπορούσαν να τις διασπάσουν Τα τελευταία χρόνια με τη γρήγορη εκβιομηχάνιση και την παραγωγή νέων μορίων που εκλύονται στην βιόσφαιρα, όσα ομοιάζουν με ήδη υπάρχοντα αποικοδομούνται από τους μο, ενώ άλλα συσσωρεύονται Δεν μπορούμε να γνωρίζουμε πόσο γρήγορα οι μο μπορεί να εξελιχθούν και να αναπτύξουν τους μηχανισμούς που απαιτούνται για την διάσπαση ενώσεων, όπως το πολύ-αιθυλένιο, χλωριούχο πολυβινύλιο, παρασιτοκτόνα

44 Παρασιτοκτόνα Χημικά παρασιτοκτόνα που χρησιμοποιούνται στη γεωργία για την καταπολέμηση των ασθενειών > 1000 Αφορούν ζιζάνια, έντομα, παθογόνους μύκητες, βακτήρια κ.α. Ετήσια παραγωγή: αρκετά εκατομμύρια τόνοι

45 Ζιζανιοκτόνα Είναι τα περισσότερο μελετημένα σε σχέση με την βιο-αποικοδόμησή τους στο έδαφος χλωρο-φαινοξυ-οξικό οξύ και παράγωγα Παράγωγα της ουρίας (monuron) Φαινυλκαρβαμικά (IPC, CIPC) Τριαζίνες (ατραζίνη κ.α.)

46 Χλωρο-φαινοξυ-οξικό οξύ και παράγωγα
Θεωρείται ότι αποικοδομούνται από τους μο (κάποιες εβδομάδες) Η διαδικασία εξαρτάται από τη θερμοκρασία, τον τύπο του εδάφους, υγρασία, pH κ.α. Αποικοδομούνται ταχύτερα πιο κοντά στην επιφάνεια του εδάφους Βακτηριακά γένη: Achromobacter, Arthrobacter, Corynebacterium, Flavobacterium, Mycoplana, Pseudomonas Διάσπαση: οξείδωση, πέψη του αρωματικού δακτυλίου,αφαλογόνωση

47 Εντομοκτόνα Οργανοφωσφορικές (αιθυλ-παραθείο, μαλαθείο) και οργανοχλωρικές ενώσεις (DDT, Lindan) Οργανοφωσφορικά: θεωρείται ότι αποικοδομούνται γρήγορα DDT: παρουσιάζει πολύ μικρή βιοαποικοδομησιμότητα και δημιουργεί πολύ σοβαρά οικολογικά προβλήματα (χρόνος παραμονής: 3-10 χρόνια) Στέλεχος του γένους Arthrobacter αναφέρεται ότι το χρησιμοποιεί ως μοναδική πηγή C DDT, dieltrin, chlordane: έχουν απαγορευτεί σε πολλές χώρες ως καρκινογόνα

48

49 Μυκητοκτόνα Κυρίως διθειοκαρβαμικά (dithiocarbamates) και καρβοξαμίδια (carboxamides). Αποικοδομούνται από διάφορους μο

50 Μυκητοκτόνα Διοξίνη: καρκινογόνο, προκαλεί τερατογενέσεις και παράγεται κατά τη σύνθεση των 2,4-D (dichloro-phenoxyacetic acid) και 2,4,5-Τ εντομοκτόνων. Δεν γνωρίζουμε εάν είναι αποικοδομήσιμο

51 ίσως βοηθήσει η εξέλιξη…
Υπάρχουν ενδείξεις τελευταία ότι οι μο εξελίσσονται ως προς τις βιο-αποικοδομητικές τους ικανότητες  εμφανίζονται στελέχη με νέες ιδιότητες π.χ. Αναερόβια απομάκρυνση ατόμων Cl από βενζολικούς δακτυλίους Ιδιότητες που κωδικοποιούνται σε πλασμίδια Μύκητες που εμφανίζουν αντίστοιχες ιδιότητες π.χ. στελέχη του γένους Aspergillus

52 Σχέσεις μικροοργανισμών και παρασιτοκτόνων…
Επίδραση των μικροοργανισμών στα παρασιτοκτόνα  μικροβιακή διάσπαση Επίδραση των παρασιτοκτόνων στους οργανισμούς του οικοσυστήματος: Δεν γνωρίζουμε εάν υπάρχει μόνιμη διαταραχή των κύκλων των στοιχείων. Δεν αναστέλλεται η δράση των μο που κάνουν αζωτοδέσμευση, αμμωνιοποίηση κ.α. Ανάγκη για περισσότερες μελέτες Μυκητοκτόνα!!! Φαίνεται ότι επηρεάζουν τους παθογόνους και τους σαπροφυτικούς μύκητες

53 Συνθετικά πολυμερή Πολυαιθυλένιο, πολυβουτυλένιο, πολυπροπυλένιο, PVC, πολυστυρένιο, πολυουρεθάνη, nylon, orlon, teflon κ.α. Υπάρχει ανάγκη για βιο-αποικοδομήσιμα πολυμερή  πολυμερή που μετά από κάποια χημική ή φυσική προ-επεξεργασία (UV) μπορούν να αποικοδομηθούν από τους μο Σύνθεση βιοπολυμερών από το βακτήριο Arthrobacter eutrophus

54 Ευχαριστώ!!!