1. VIDES MIKROBIOLOĢIJA I daļa Dr. biol., asoc. prof. Vizma Nikolajeva
LU Bioloģijas fakultāte
Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

2. Vides mikrobioloģija – zinātne par mikroorganismu ietekmi uz vidi un cilvēku dzīvi.
Uz Zemes eksistē 4-6 x1030 prokariotu šūnu (= 2,2x1015 g C).
Visvairāk augsnē – Uz augiem – 1026.
Mikroorganismi sastāda >60 % Zemes biomasas.
Cilvēkam 1013 šūnu, cilvēka baktērijām 1014 šūnu.
Mikroorganismi ietekmē cilvēci: tieši (infekcijas slimības); netieši (iedarbojas uz dzīvniekiem, augiem,
ekosistēmu kopumā).
Mikroorganismi:
kā piesārņotāji (eitrofikācija, biokorozija, toksisko metālu mobilizācija, atmosfēras piesārņošana);
kā piesārņojuma apkarotāji (ūdens apstrāde, bioremediācija).

3. Baktērijas un sēnes dažādos biotopos
Biotops
Baktērijas, 106 šūnas/ ml vai g
Sēņu hifu garums, m/ g
Baktēriju biomasa, % no mikroorganismu biomasas
Lauksaimnie-cības augsne
900
164 71
Meža augsne
300
330 35
Ezeri 1 ND
100
Okeāns
0,5
Jūru nogulsnes
460
ND – nav nosakāms. (Frey et al., 1999; Busse et al., 2009; Whitman et al., 1998)

4. Žurnāli Microbial Ecology. Kopš 1974. g. Springer-Verlag.
Applied and Environmental Microbiology. Kopš g. American Society for Microbiology.
Advances in Microbial Ecology. Kopš g. Plenum Press.
FEMS Microbiology Ecology. Kopš g. Federation of European Microbiological Societies, Elsevier Science Publishers.
The ISME Journal. Kopš g International Society for Microbial Ecology.

5. ISME – International Society for Microbial Ecology
15. kongress gada augustā,
Seulā, Dienvidkoreja
16. kongress gada augustā Monreālā, Kanāda
17. kongress gada augustā Leipcigā, Vācija

6. 16. kongress Evolution Extreme environments Nitrogen assimilation
Freshwater microbial ecology: crossing the border from sediment to the pelagic zone
Pathogen interactions
Genomics and ecophysiology of single microbial cells
Communication and networks in biofilm communities
Oceans of discovery, seas of change
Plant-microbe interactions
Cutting-edge methods in microbial ecology
Mechanistic understanding of the human and mammalian microbiome
Microbial eukaryotes
Microbial cycling of one carbon compounds
Cultivating elusive microbes
Archaea: ecophysiology and evolution
Symbiotic associations: evolutionary mergers and acquisitions
Soil microbial ecology
Metal cycling
Polar microbial ecology
Sulfur links in Earth's microbiomes
Ecological theory
Petroleum microbiology
Bioremediation: working with natural microbial communities to improve water and soil quality
Dissimilation of nitrogen compounds
Human microbiome: exploration and manipulation
Microbial ecology meets environmental biotechnology
Applying -omics approaches to understand microbial functioning
"ISME"rizing viruses: diversity and interactions
16. kongress

8. Ekskursijas
SIA Bioefekts
Dzeramā ūdens kontroles laboratorija
Dzeramā ūdens attīrīšanas iekārtas
Notekūdeņu apstrādes iekārtas

9. Luijs Pastērs, Roberts Kohs – tīrkultūru metodes izstrādāšana.
Sergejs Vinogradskis – augsnes mikrobioloģijas pamatlicējs,
anaerobo, fotosintezējošo un mikroaerofilo augsnes baktēriju kultivēšana
(Vinogradska kolonna),
hemoautotrofijas koncepcijas izvirzīšana (1887.),
anaerobo N2 saistošo baktēriju aprakstīšana,
nitrificējošo baktēriju izolēšana un aprakstīšana (1890.),
simbiotiskās N2 saistīšanas un nitrātu reducēšanas pētīšana,
sērūdeņraža, sēra (1887.) un dzelzs oksidācijas (1888.) aprakstīšana.
Martins Beijerinks – simbiotisko (1888.) un nesimbiotisko N2 saistītāju (1901.)
izdalīšana,
sulfātreducētāju izdalīšana,
bioģeoķīmisko ciklu loma dabā.
M. Beijerinks un S. Vinogradskis – kultūru bagātināšanas (uzkrāšanas) metodes
izstrādāšana.
Rodžers Staniers – aerobo mikroorganismu (Pseudomonas u.c.) loma sarežģītu
organisko vielu noārdīšanā.

10. 1880. – 20. gs. vidus – tīrkultūru periods.
20. gs. 70-tie gadi – pragmatisma ēra – mikroorganismu izmantošana vides kvalitātes saglabāšanā un vides atveseļošanā (bioremediācija).
Ronalds Atlas, Rihards Barta – naftas piesārņojuma biodegradācija jūrās.
20. gs. 90-tie gadi – pēc Karla Vēzes “revolūcijas” dzīvo organismu
filoģenētikā (1980.) – molekulārās metodes, filoģenētiska pieeja vides mikrobioloģijai.
20. gs. 90-tie gadi – kosmisko tehnoloģiju izmantošana, ekstremālas vides pētīšana (Antarktika, karstie avoti, dziļūdens “melnie skursteņi” u.c.).

11. Vides faktoru ietekme uz mikroorganismiem
Skābekļa koncentrācija augsnes daļiņās
Mikrobiotopi augsnē

12. Kopību līdzība ģeogrāfiski atšķirīgās, bet pēc apstākļiem līdzīgās vidēs
“Everything is everywhere, but the environment selects” (Beijerinck; Baas-Becking, 1939)
Kopību līdzība
Lielie organismi
Ģeogrāfiskā distance
(Kirshman, 2012)

14. MITRUMS Šūnas satur 75-85 % H2O.
Mikroorganismus pēc to minimālo prasību līmeņa iedala:
hidrofīti (vairums baktēriju);
mezofīti (daudzas micēlijsēnes, raugi);
kserofīti (daļa micēlijsēņu un raugu).
Tieša sakarība starp substrāta mitrumu un vides relatīvo gaisa mitrumu.
Vairums baktēriju labi attīstās, ja gaisa relatīvais mitrums 90-95 %.
Raugiem pietiekams %, micēlijsēnēm – 80 %;
kserofītiem – <85 % (65-75 %).

15. Ūdens pieejamību izsaka ūdens aktivitāte aw – attiecība starp ūdens tvaika spiedienu vidē pret tvaika spiedienu tīrā ūdenī.
Tīram ūdenim aw = 1,000,
augsnē parasti 0,90-1,00.
Relatīvais mitrums RH = aw x 100 %

16. Dažādu mikroorganismu augšanai nepieciešamā ūdens aktivitāte
Ūdens aktivitāte (aw )
Baktērijas
Sēnes
1,00
0,90
0,85
0,80
0,75
0,60
Caulobacter
Spirillum
Lactobacillus
Bacillus
Staphylococcus
Halobacterium
Fusarium
Mucor
Debaromyces
Penicillium
Aspergillus
Saccharomyces rouxii
Xeromyces bisporus

17. Osmotiskais spiediens
Osmotiskais spiediens pūšanas baktērijās 0,5-1,5 MPa (megapaskali), daudzās augsnes baktērijās 5-8 Mpa Vislielākais osmotiskais spiediens micēlijsēnēs, it sevišķi Aspergillus spp. – līdz 20 MPa.
Osmotiskais spiediens mainās arī vienas sugas robežās, atkarībā no substrāta.

18. Nedaudz halofili – aug NaCl konc. 1-6 %
Nedaudz halofili – aug NaCl konc. 1-6 % Mēreni halofili – aug NaCl konc %.
Ekstremāli halofili – aug NaCl konc %.
Halotoleranti – var paciest aw samazināšanos.
Osmofili – attīstās vidē ar augstu ogļhidrātu konc.
Kserofili – dzīvo ļoti sausā vidē. Šūnās palielināta neorganisko jonu (piemēram K+) vai organisko vielu (aminoskābju, ogļhidrātu, spirtu) koncentrācija.

19. TEMPERATŪRA
Ikviens mikroorganisms attīstās noteiktās temperatūras robežās, ko raksturo trīs punkti: minimums, optimums un maksimums.
Celms 121 (atklāts g.) – hipertermofils arhejs
(Crenarchaeota valsts), opt °C, max 121 °C.

20. TEMPERATŪRA Optimālā augšanas temperatūra: psihrofiliem <15 C;
mezofiliem C;
termofiliem >40-80 C;
hipertermofiliem >80 C.
Psihrotrofi jeb psihrotoleranti – mezofili, kas nelielā ātrumā spēj augt <15 C.
Termotoleranti – mezofili, kas nelielā ātrumā spēj augt >40 C.

21. Baktēriju un arheju augšanas temperatūra
Mikroorganismi
Minimālā temperatūra
Maksimālā temperatūra
Baktērijas
Vibrio marinus
Micrococcus cryophilus
Pseudomonas avenae
Escherichia coli
Staphylococcus aureus
Bacillus subtilis
Bacillus stearothermophilus
Thermus aquaticus
-14 -8 7 15 30 65 25 40 41 45 50 70
102
Arheji
Halobacterium salinarium
Thermoplasma acidophilum
Methanococcus jannaschii
Pyrococcus woesei
Pyrodictium occultum 20 60 55 62 95
105
110

22. Vides reakcijas (pH) jeb H jonu koncentrācijas ietekme
Izmaiņas par pH 1 nozīmē 10 reizes izmainītu H+ koncentrāciju.
Visbiežāk optimālais pH baktērijām 5-9, sēnēm 5.
Alkalifili – aug pie pH >8 (piemēram, holeras vibrions, urobaktērijas, arhebaktērijas Natronobacterium spp.).
Neitrofili – pH 6-8
Acidofili – aug pie pH <6
Obligāti acidofilas baktērijas Thiobacillus spp. (opt. pH 2,0), arhebaktērijas Sulfolobus, Thermoplasma spp. Oksidē sulfīdu minerālus.
Acidotoleranti – opt. pH tuvs neitrālam, bet labi pacieš skābu vidi. Alkalitoleranti – pacieš sārmainu vidi.

23. Prokariotu augšanai nepieciešamais pH
Organismi
Minimums
Optimums
Maksimums
Escherichia coli
Pseudomonas aeruginosa
Clostridium sporogenes
Nitrosomonas spp.
Nitrobacter spp.
Thiobacillus thiooxidans
Lactobacillus acidophilus
Bacillus acidocaldarius
Thermoplasma acidophilus
Sulfolobus acidocaldarius
Bacillus alcalophilus
4,4
5,6
5,5-5,8
7,0-7,6
6,6
1,0
4,0
2,0
8,5
6,0-7,0
6,6-7,0
6,0-7,6
8,0-8,8
7,6-8,6
2,0-2,8
4,6-5,8
3,5
1,5
2,5
9,5
9,0
8,0
8,5-9,0
9,4
10,0
6,0
6,8
11,5

24. Aerācija (gaisa režīms)
a) obligāti aerobi
(gaisā 21 % O2)
b) obligāti anaerobi
c) fakultatīvi aerobi
d) mikroaerofili
e) aerotoleranti anaerobi

25. HIDROSTATISKAIS SPIEDIENS
Barofili jeb pjezofili– nevairojas atmosfēras spiedienā, bet tikai mērenā hidrostatiskā spiedienā, MPa. Sastop iežos, okeānu dibenā. Hiperpjezofili – lielā spiedienā, >80 MPa.
Barotoleranti jeb pjezotoleranti– vairojas normālā atmosfēras spiedienā, bet īslaicīgi var izturēt palielinātu spiedienu.
1-400 atm. (0,1-40 MPa) nav nekāda vai ir maza ietekme uz vairumu mikroorganismu.
Par katriem 10 m dziļuma spiediens palielinās par 1 atm. (0,1 MPa) Jūras līmenī 1 atm., 10 m dziļi – 2 atm., 100 m – 11 atm (1,1 MPa).

26. STAROJUMS Redzamā gaisma – fotosintēzei. UV stari – nonāvē.
260 nm – baktericīdas īpašības; izmanto mutantu ieguvei un gaisa dezinficēšanai UV-C nm, UV-B nm, UV-A nm.
Infrasarkanie stari – sakarsē.
Radioaktīvais starojums (, , -stari) – nonāvē; izmanto mutantu ieguvei un sterilizēšanai.
Ultraskaņa – nonāvē; izmanto šūnu un olbaltumvielu noārdīšanai.

27. TOLERANCE

28. ĶĪMISKIE SAVIENOJUMI
Bakteriostatiska iedarbība
Baktericīda iedarbība
Pēc iedarbības rakstura:
Virsmas aktīvas vielas – bojā šūnapvalku
Fenols, krezols u.tml. – bojā šūnapvalku, izmaina olbaltumvielas
Akridīni, NS radniecīgi savienojumi – kavē šūnu dalīšanos
Formaldehīds (40 % - formalīns) – denaturē olbaltumvielas
Smago metālu sāļi – koagulē olbaltumvielas

29. MIKROORGANISMU AUGŠANA VIDĒ Pirmā klasifikācijas sistēma
Autohtoni organismi – lēns metabolisms, izmantojot lēni atbrīvojošās organiskās vielas.
Zimogēni – piemērojušies miera un ātras augšanas intervāliem atkarībā no substrāta pieejamības.
Alohtoni – ienesti svešā vidē un parasti tur izdzīvo neilgi.

30. Otrā klasifikācijas sistēma
Oligotrofi – labāk aug mazā substrāta koncentrācijā (1-15 mg C/l).
Kopiotrofi – labāk aug lielā substrāta koncentrācijā (~1000 mg C/l).
Šūnas virsmas laukuma attiecība pret tilpumu kā organisma izmēra funkcija (Kirshman, 2012).

31. Trešā (jaunākā) klasifikācijas sistēma
Pamatojas uz r- un K-selekcijas koncepciju.
r-stratēģisti – uz barības vielu pievienošanu atbild ar lielu augšanas ātrumu (A). Atbilst zimogēniem un kopiotrofiem.
Sintezē ātrās reaģēšanas olbaltumvielas, satur daudz ribosomu – lieli metabolisma izdevumi.
K-stratēģisti – augsta afinitāte pret barības vielām, kas ir zemā koncentrācijā (B) Atbilst autohtoniem un oligotrofiem.
Nesintezē ātrās reaģēšanas
olbaltumvielas, satur maz ribosomu – mazi metabolisma izdevumi.
Augšanas ātrums ()
strain - celms
Substrāts [S]

32. r-stratēģistu un K-stratēģistu salīdzinājums
r-stratēģisti
K-stratēģisti
Liels elpošanas ātrums
Mazs elpošanas ātrums
Apdzīvo rizosfēru
Izplatīti visā augsnē
Izmanto svaigu augu un bojāgājušu dzīvnieku materiālu
Izmanto humīnvielas

33. Populācijas augšanas fāzes vidē
Lag-fāze daudz garāka nekā laboratorijas apstākļos.
a) Ļoti maza sākotnējā populācija, kas spēj izmantot pievienotās barības vielas.
b) Pievienoto barības vielu izmantojošā populācija var būt snaudoša vai bojāta.
c) Pievienotā C avota degradācija sākotnēji nav iespējama.
Eksponenciālā fāze (maksimālais augšanas ātrums) tiek sasniegta tikai īsos periodos pēc substrāta padeves.
Stacionārā fāze ir īsu laiku (ja vispār ir).
Bojāejas (līzes) fāze visbiežāk tikpat strauja kā eksponenciālā fāze.

34. Dzīvotspējīgi, bet nekultivējami mikroorganismi
aktīva augšana
pārejas stāvoklis
dziļš miers
atjauno augšanu
nāve
atdzīvojas
kultivējami
nekultivējams
(Shleeva et al., 2002)

35. Dzīvotspējīgi, bet nekultivējami mikroorganismi
Feromoni – kāda organisma sintezētas vielas, kas ietekmē citus tās pašas sugas organismus.
Pieder Rpf (resuscitation promoting factor) – dzīvotspēju (kultivējamību, “atdzīvošanos”) veicinošs faktors; baktēriju citokīns; olbaltumvielu dabas augšanas faktors.
Piem., Micrococcus luteus Rpf ir olbaltumviela ar aminoskābēm, gM
Rpf aktīvs pikomolārās koncentrācijās.
Maksimāla ekspresija lag-fāzē un agrā eksponenciālā fāzē. Saistīts ar šūnapvalka daļēju hidrolīzi.

36. “Quorum sensing” (QS) jeb autoindukcija
QS – baktēriju šūnu mijiedarbības mehānisms gēnu ekspresēšanai tikai tad, kad populācija sasniegusi ievērojamu šūnu blīvumu.
QS molekulas sintezējas, blīvumam pieaugot. Sintezētās nelielās molekulas difundē no šūnas ārā un iekšā. Ekspresējas QS atkarīgie gēni.
Visizpētītākā signālmolekulu grupa – gramnegatīvo baktēriju, piem., Pseudomonas spp. N-acilhomoserīnlaktoni.
Signālmolelulu nozīme:
noteikt šūnu blīvumu (QS) piemērošanās
noteikt telpas dimensijas (diffusion sensing) videi (efficiency
sensing)

37. AI-2 (autoinduktors-2
vai metabolisma blakusprodukts)
baktēriju esperanto, molekulāra valoda komunikācijai starp sugām,
>1 milj. gadu veca

38. N-acilhomoserīnlaktoni un to inhibitori – augu furanoni
Manipulācijas ar baktēriju signālsistēmām!
Manipulācijas ar populāciju blīvumu!

39. Paenibacillus dendritiformis morfoloģiskie tipi
Komunikācijas (viedokļu apmaiņas) jēga
Koloniju identitāte
Mērķtiecīgas kolonijas struktūras izmaiņas, piemēram, augļķermeņu veidošana
Lēmumu pieņemšana, piemēram, lai veidotu endosporas
Citu koloniju atpazīšana un identificēšana
Baktēriju sabiedriskā uzvedība!
Paenibacillus dendritiformis morfoloģiskie tipi

40. Mijiedarbība vienā baktēriju populācijā. Miksobaktērijas

41. LuxS/AI-2 regulētā uzvedība
Suga
Funkcija
Borrelia burgdorferi
Campylobacter jejuni
Clostridium perfringens
Escherichia coli, EHEC un EPEC
Porphyromonas gingivalis
Salmonella typhi
Shigella flexneri
Streptococcus mutans
Streptococcus pneumoniae
Vibrio cholerae
Vibrio vulnificus
Vibrio harveyi
Virulence, Fe uzņemšana
Kustīgums
Toksīna producēšana
Virulence
Bioplēves veidošana, proteāzes producēšana
Bioplēves veidošana
Virulences faktora ekspresija
Luminiscence, proteāzes un sideroforu producēšana, koloniju morfoloģija