Konspekt aastast 2005 (0)

KESKKONNAMIKROBIOLOOGIA konspekt Koostanud Jaak Truu (T� molekulaar-ja rakubioloogia instituut) e-mail: [email protected] 1. MIKROORGANISMIDE MITMEKESISUS Traditsiooniliselt p� hineb koosluste mitmekesisuse hindamine liigilise koosseisu m��ramisel, konkreetsete liikide arvukuse hindamisel ja iga liigi funktsiooni teadmisel. Mikroorganismide puhul on k�igi nende n� itajate usaldusv ��rne m��ramine hetkel veel v� imatu . M�iste mitmekesisus kasutamine mikroorganismide puhul on erinev kui makro-organismide korral. Mikroorganismide puhul ei ole v� imalik mitmekesisuse hindamiseks kasutada � ksnes organismi morfoloogilisi ja anatoomilisi tunnuseid, vaid tuleb kasutada lisaks veel spetsiifilisi f�sioloogilisi tunnuseid. Rohkem kui 100 aastat p�hineski mikroobide mitmekesise hindamine fenot��bilistel tunnustel ning mikroobide sarnasuse hindamiseks kasutati numbrilist taksonoomiat. 20 aastat tagasi arvati, et ca 40% prokar �ootidest on teada, praegusel hetkel on isegi 5 % v�ga optimistlik hinnang. Hetkel hinnatakse bakterite liikide arvuks maakeral 300 000 kuni 1 miljon liiki, samas kui Bergey k�siraamat sisaldab ainult 3100 kirjeldatud bakteriliiki. Miks on mikroorganismide mitmekesisusest nii v�he teada? See tuleneb metoodilistest probleemidest: ei ole olemas laboratoorset kasvukeskkonda, mis sobiks �heaegselt paljudele bakteritele v�i arhedele; raske on eraldada pindadele kinnitunud v�i biokilest mikroorganisme ; suur osa teadaolevast informatsioonist bakterite kohta p�hineb puhaskultuurides saadud tulemustel, mis ei pruugi kehtida looduslikus keskkonnas. Suur osa (95-99%) vees ja mullas elavatest bakteritest on mittekultiveeritavad (�nonculturable�) bakterid . Need on bakterid , kes on eeldatavasti funktsionaalsed, v�ga aeglase metabolismiga ja kohanenud oligotroofsetele (v�ga madal toitainete kontsentratsioon) tingimustele, mida ei ole siiani v� imalik laboris j� ljendada . Selleks, et uurida ja kirjeldada mikroorganismide (bakterite, arhede ja seente) mitmekesisust keskkonnas, on kasutusele v�etud molekulaarsed meetodid, mille puhul ei ole vaja organismi eelnevalt isoleerida puhaskultuuri. Siin on probleemiks see, et need molekulaarsed meetodid tuginevad h�sti kirjeldatud ja l�biuuritud organismidel, keda kasvatakse puhaskutuuris. Molekulaarsete meetodite kiire areng v�imaldab uurida mikroorganismide mitmekesisust uuel , geneetilisel tasemel. Mikroobid grupeeritakse vastavalt nende geenide sarnasusele, mis v�ljendab ka nende evolutsioonilist vahekorda. Eeldades, et enamik looduses eksisteerivatest bakterirakkudest pole kultiveerimise teel k�ttesaadavad, on viimastel aastatel �ha enam kasutusele v�etud molekulaarseid meetodeid , mille abil on v�imalik uurida otse keskkonnast eraldatud bakterikoosluste DNA-d ja v� ltida kultiveerimise selektiivsusest tulenevaid probleeme. Sellised molekulaarbioloogilised meetodid nagu nukleiinhapete ekstraheerimine, pol�meraasi ahelreaktsioon (PCR), DNA kloneerimine ja sekveneerimine on teinud v�imalikuks uute meetodite arengu, mis on suuresti muutnud meie arusaamist bakterikooslustest ja mikroobide mitmekesisustest looduses. Mitmekesisus: feneetiline s� steem , numbriline taksonoomia - bakterite liikideks r�hmitamine p�hineb morfoloogilistel ja biokeemilistel tunnustel
Molekulaarsetest markeritest kasutatakse mikroobide mitmekesisuse uurimisel k�ige rohkem ribosomaalse operoni geene (16S rDNA , 5S rDNA), samuti ribosomaalsete geenide vahelist intergeenset piirkonda, samuti kasutatakse DNA g�raasi B ala� hiku GyrB , .70 RNA pol�meraasi faktori, elongatsioonifaktori geeni EF-Tu ja ATPaasi b �ala�hiku j�rjestusi. Molekulaarsetest markeritest saadud informatsiooni p�hjal jaotatakse elusorganismid kolme domeeni: eubakterid, arhed ja euakr� oodid . Bakterite f�logeneetiline puu koosneb v� hemalt 18 alamjaotusest ehk h�imkonnast (uues Bergey m��rajas on 23 h�imkonda), arhede puu kolmest h�imkonnast. Bakterite puhul on kokku leitud 56 suuremat alamjaotust, nendest 26 on kultiveeritavate esindajatega. Puudub korrelatsioon f�logeneetiliste r�hmade ja fenot��biliste tunnuste (feneetilise s�steemi) vahel. Mikroobikoosluste uurimisel rakendatavad molekulaarsed meetodid v�ib laias laastus jagada kaheks: osaliseks ja t�ielikuks koosluse DNA anal��siks (partial and whole community DNA analysis ). Osalise anal��si puhul keskendutakse vaid osale genoomist, markergeenidele, mis amplifitseeritakse PCR-i meetodi abil. T�ieliku koosluse anal��si puhul p��takse uurida kogu informatsiooni, mida eraldatud DNA sisaldab. Probleemid molekulaarsete meetodite kasutamisel : DNA-l p�hinevad meetodid s�ltuvad DNA eraldamise kvaliteedist. Erinevad bakterid l��suvad erinevalt, seega on v�imalik et osa bakterirakke ei l��su �ldse, seega j��b osa bakterite DNA-st keskkonnast eraldamata. Praimerite j�rjestused, mida kasutatakse pol�meraasahelreaktsioonis, on koostatud publitseeritud j�rjestuste p�hjal, mis ei pruugi adekvaatselt kajastada mittekultiveeritavate bakterite j�rjestusi. Pol�meraasi ahelreaktsiooni k�igus v�ivad tekkida kimeersed produktid . Mikroobi�koloogias kasutatavate molekulaarsete meetodite esmased kasutajad olid Carl Woese ja Norm Pace. N�ide: Erinevate koosluste mitmekesisuse v�rdlus Akumulatsioonik�verad 1.Michigani taimed 2. Costa Rica linnud 3.Mikroobikooslus inimese suust 4.Costa Rica �� liblikad 5.Vihmametsade mulla mikroobikooslus Kui akumulatsioonik�ver l�heneb platoole (n�iteks jooned 1 ja 2), siis on koosluse liigiline mitmekesisus h�sti kirjeldatud st. isegi kui j�tkata uurimist ��d, siis uusi liike t�en�oliselt ei leita ja mitmekesisuse hinnang ei muutu. Kui akumulatsioonik�ver on sirge (n�iteks joon 5), siis uurimist�� k�igus tuleb kogu aeg uusi liike juurde Hinnanguliselt on bakterite liikide arvuks 1 ml-s ookeani vees 160 liiki, 1 g mullas 6400-38000 liiki, olmereovees 70 liiki. Kui hinnata bakterite liigirikkust suurel skaalal, siis �hes j� rves v�ib olla kuni 8000 erinevat bakteri liiki, terves maailmameres 2x106 liiki ja �hes tonnis mullas 4x106 liiki. ning vastavalt sellele suureneb ka mitmekesisus. Seega on vihmametsade mulla mikroobikoosluse mitmekesisus tunduvalt suurem kui �lej��nudjoonisel esindatud kooslustel. Costa Rica ��liblikate mitmekesisus on l� hedane inimese suu mikroobikoosluse liigilise mitmekesisusega. Keskkonnamikrobioloogia konspekt 2005; T�ri Kolledz
2. AINERINGE Aineringe, ainete ringk�ik, ainete pidevalt korduv ringlemine looduses: maakeral tervikuna v�i eri geosf�� ride (atmo-, h�dro-, lito - ja biosf ��ri) vahel. A-e p� hilised energiaallikad on P� ikese kiirgus ja Maa sisej�ud. Biogeokeemiline ts� kkel on biosf��ris nii looduslike kui ka inimtekkeliste s�steemide vahel toimuv aine- ja energiaringe. B. t-i liikumapanev j�ud on P�ikese energia ning sellel p� hinev elusaine tegevus. B. t. kirjeldab aine liikumist ja muundumist biokeemiliste protsesside toimel �kos�steemis. B. t. sisaldab f��sikalisi protsesse nagu lahustumine , sadenemine, aurustumine ja seondumine; keemilisi protsesse nagu bios �ntees, biodegradatsioon; erinevaid f��sikaliste ja keemiliste muutuste kombinatsioone. K�ik elusorganismid osalevad b.t.-s, kuid mikroorganismidel on selles p�hiosa. Bioloogilise a-e kulg on j�rgmine: rohelistes taimedes tekib orgaaniline aine, seda kasutavad muud organismid, seej �rel Energia voog kulgeb l�bi �kos�steemi, orgaaniline aine lagundatakse mineraalaineiks, toitained ringlevad �kos�steemis. s�sinikdioksiidiks, veeks jt. aineteks ning hiljem tekib neist uus elusaine. Eriti oluline on s� siniku -, l� mmastiku -, fosfori-ja v��vliringe. A-e toimub �kos� steemides ja nende allosades, kusjuures aine mingi seisund v�ib korduda tundide, p�evade, aastate v�i pikemate ajavahemike j�rel. Elusaine komponendid e. biogeensed elemendid P�hielemendid (20-60 aatom %) vesinik H, s� sinik C, hapnik O -vajalikud k�ikides raku orgaanilistes �hendites. Makroelemendid (0,02-2 aatom %) l�mmastik N - aminohapetes ja valkudes, naatrium Na, magneesium Mg kofaktor ens��mides ja klorof �llis, fosfor P- nukleiinhapetes ja osaleb energia �lekande reaktsioonides rakus, v��vel S - valkudes, kloor Cl, kaalium K, kaltsium Ca kofaktor ens��mides, koostisosa membraanides. Mikroelemendid ( ( CH2O )n + O2 Orgaaniline 1000 Aeroobne hingamine (CH2O)n + O2 -----> CO2 + H2O + energia Maismaa Anaeroobne hingamine (CH2O)n + Xox -----> CO2 + Xred Mulla orgaaniline aine 1500 "Xox�v�ib olla nitraat (NO3-), sulfaat ( SO42 -), v��vel (So), rauaioonid Setted 10000000 (Fe3+) Fossilsed k�tused 10000 Mikroobne biomass 353-546 Aeglane s�sinikuringe: lubjakivi ja fossiilsete k�tuste teke. Ookean + setted 303-2.2 Molluskid seovad vees lahustunud CO2 ja tekib CaCO3 Muld 26 (kaltsiumkarbonaat), millest koosnevad molluskite karbid . Surnud Kogu maismaa 22-215 molluskite karbid sadenevad ja selle tulemusena tekkis lubjakivi. Lubjakivi v�ib vees lahustuda ja CO2 vabaneb. Fossiilsed k�tused ( kivis �si, nafta , maagaas) tekkisid iidsete taimede ja loomade j��nustest k�rge temperatuuri ja r�hu toimel maakoores. Fossiilsete k�tuste kasutamisel vabaneb CO2 atmosf��ri. Keskkonnamikrobioloogia konspekt 2005; T�ri Kolledz
4 Orgaanilise aine anaeroobne lagundamine Keerulised pol� meerid nagu tselluloos , t� rklis , valgud lagundatakse monomeerideks seente ja tsellulol��tiliste bakterite (Bacteroides succinogenes) poolt. Monomeersed ala� hikud ( suhkrud , aminohapped ) lagundatakse k��ritajate bakterite poolt, mille tulemusena tekivad orgaanilised happed [ but�raat ( CH3CH2CH2COO-), propionaat (i.e. CH3CH2COO-] ja alkoholid . Edasine k��ritamine toimub s�ntroofsete bakterite Syntrophomonas sp. and Syntrophobacter sp. poolt, mis toodavad atsetaati (. CH3COO -), s�sinikdioksiidi (CO2), and molekulaarset vesinikku(H2). S�sinikdioksiidi, molekulaarset vesinikku ja atsetaati kasutavad metanogeenid metaani (CH4) tootmiseks. Metanogenees ja met�lotroofia Metanogeenid CO2 + 4 H2 -----> CH4 + 2 H2O + energia elektroni doonor on vesinik, elektroni aktseptor on CO2, ranged anaeroobid, kemolitotroofid Metanotroofid CH4 + 2 O2 -----> CO2 + 2 H2O + energia metaan on elektroni doonor, hapnik on elektroni aktseptor elavad anaeroobse ja aeroobse keskkonna piiri peal metaani monooks�genaas n�itab metanotroofide olemasolu keskkonnas Mikroorganismide osa orgaanilise aine lagundamisel Taimne biomass koosneb peamiselt pol�meersetest orgaanilistest �henditest. Enamik looduslikke pol� meere on raskesti lagundatavad. Pol�meerid ei lahustu vees, kuid mikroobide elutegevuseks on vajalik vesi. Looduslikud pol�meerid on liiga suured, et neid bakteri v�i seene rakku transportida. Esmane pol� meeride lagundamine toimub eksoens��mide vahendusel. Pol�meeride lagundamine monomeerideks on limiteerivaks l�liks orgaanilise aine lagundamisel looduses. Lahustuvad komponendid. Taimej��nused sisaldavad vees lahustuvaid komponente-aminohapped, orgaanilised happed ja suhkrud. Need � hendid kasutatakse kiiresti mikroobide poolt. Tselluloos moodustab peamise osa looduslikest pol� sahhariididest (15-50% taime kuivkaalust). T. lagundamine toimub eksoens��mide abil, monomeerid (gl�koos) sisenevad rakku. T. lagundavaid ens��me nim. tsellulaasideks (eksotsellulaasid ja endotsellulaasid). Esmased t. lagundavad seened on Trichoderma, Aspergillus , Penicillium , Fusarium ja bakterid: aroobsed- Cellulomonas, Cellovibrio, Thermomonospora, Cytophaga ning anaeroobsed - Acetovibrio, Bacteroides, Clostridium , Ruminococcus. Aeroobsetes tingimustes lagundatakse tselluloos seente, aeroobsete ja fakultatiivselt anaeroobsete bakterite poolt ning lagundamise l�ppproduktideks on CO2, vesi ja mikroobne biomass. Anaeroobsetes tingimustes on peamised tselluloosi lagundajad bakterid (perekond Clostridum). Hemitselluloos (kuni 30% taime kuivkaalust). Pol� meer , mis koosneb 6-C ja 5-C suhkrutest ning uroonhappest . Ht. lagundamine on kiirem protsess kui t. lagundamine. Ligniin (5-35% taime kuivkaalust) sisaldab v�rreldes tselluloosiga 50 % rohkem s�sinikku, t�pset koostist ei ole v�imalik defineerida. L. on raskesti lagundatav ja l. lagundamine on aeroobne protsess. L. lagundamine on aeglasem protsess kui t. ja ht. lagundamine. Peamised l. lagundajad on basidiom�tseedid, protsessis osalevad ka aktinom�tseedid (Streptomyces spp.) ja bakterid. Ligniini lagundamise produktideks on fenoolid , aromaatsed happed ja alkoholid. �ks osa neist �henditest mineraliseeritakse CO2 ja veeks. teine osa, peamiselt fenoolsete � hendite lagundamise vaheproduktid, oslevad huumusaine tekkes. Valgud, peptiidid ja aminohapped (2-15 %). Valgud on suure toitev ��rtusega (C+N). Looduses v. struktuur laguneb ja mikroobid lagundavad neid � hendeid edukalt. V. lagundatakse rakuv�liste ens��mide proteinaaside ja peptidaaside poolt. V. lagundamine toimub nii aeroobselt kui ka anaeroobselt. Pektiin. Monomeeriks on galakturoonhape. Puit sisaldab 1-5 % pektiini. P. lagundamine toimub ens��mide pektiini esteraasid ja h�drolaasid vahendusel aeroobses ja anaeroobses keskkonnas. Lagundavad suuresti samad mikroobid, kes lagundavad ka tselluloosi. Lagundatava orgaanilise aine koostis omab lagundamisprotsessile olulist m�ju. Mikroobid ei lagunda taimej��nuseid kui �ht tervikut , vaid taimekudede orgaaniliste �hendite gruppe lagundatakse selektiivselt. � ldine reegel: mida raskemini lagundatav on � hend , seda v� iksem on vastavat �hendit lagundava ens��mi osakaal mikroobikoosluses. Taimej��nuste lagundamise kiirus s�ltub keskkonna tingimustest: temperatuur, pH, niiskus, temperatuur. Substraadi kvaliteet: soodne on ligniini v�ike osakaal ja osakeste v�ike suurus ning madal C/N suhe. Keskkonnamikrobioloogia konspekt 2005; T�ri Kolledz
Mikroobikoosluse struktuuri muutumine ( suktsessioon ) orgaanilise aine lagundamisel mullas. (1. etapp, kestus m�ni p�ev kuni m�ni n�dal) Esmalt lagundatakse lihtsamad taimse materjali komponendid (vees lahustuvad suhkrud, aminohapped) mulla mikroobide poolt, keda iseloomustab kiire kasv (l�hike generatsiooniaeg - r- strateegid , kopiotroofid), 50% s� sinikust assimileeritakse. (2. etapp) Seej�rel hakatakse kasutama keerukama struktuuriga komponente (tselluloos) ja protsessis osalevate mikroobide arvukus v�heneb. Peamisteks lagundajateks on n��d K-strateegid v�i oligotroofid). Lagundamise kiirus v�heneb. Lagundamisprotsessi k�igus tekivad CO2 ja uued mikroobide rakud . See uus mikroobne biomass on omakorda substraadiks mikroobidele. 50% s�sinikust assimileeritakse. Lagundamise viimases etapis lagundatakse j�relej��nud substraati, mis sisaldab palju ligniini ja on seet�ttu resistentne . 1/3 s�sinikust assimileeritakse. Taimej��nuste mikrobioloogilisel lagundamisel j��b v�ike osa algsest substraadi s�sinikust muudetud kujul mulda ja seda nimetakse mulla orgaaniliseks aineks (MOA). MOA m�jutab oluliselt mulla keemilisi (katioonide sidumine, pH puhverdamine , toitainete aeglane vabanemine) ja f��sikalisi (struktuur, agregatsioon , niiskusesisaldus) omadusi. MOA lagunemiskiirus aastas on aeroobsetes tingimustes 2-5%. Protsess on tugevalt seotud temperatuuriga. Anaeroobsetes tingimustes on MOA lagundamine v�ga aeglane ning taimej��nused akumuleeruvad mulda/pinnasesse. 1.2. L�MMASTIKURINGE Aineringes esineb l�mmastik peamiselt j�rgmistes vormides : molekulaarne l�mmastik N2, orgaaniliste �hendite l�mmastik (taimedes, loomades , mikroobide biomassis ja mulla orgaanilises aines) ning nitraadi -ja ammooniumioonina. Mulla orgaanilises aines esineb l�mmastik paljude erinevate �henditena, milledest ligi pool on t�pselt identifitseeritavad. N- ringe v�ib vaadelda koosnevana kolmest alaringest: Elemendi ringe on bioloogiliste oks�deerimis- ja redutseerimisreaktsioonidega seotud l�mmastiku ja molekulaarse l�mmastiku muundumine erinevateks keemilisteks vormideks. Fototroofne ringe on taimede poolt l�mmastiku omastamine , mille liikumapanevaks j�uks on fotos �ntees. Anorgaaniline l�mmastik muudetakse l�mmastiku sisaldavateks orgaanilisteks �henditeks taimes . Heterotroofne ringe on seotud orgaanilise aine lagundamise protsessiga. L�mmastikuringe p�hikomponendid on l�mmastiku fikseerimine, nitrifikatsioon ja denitrifikatsioon . 79 % atmosf�� rist moodustab gaasiline l�mmastik (N2). Gaasiline l�mmastik seotakse l�mmastikku fikseerivate bakterite poolt. L�mmastiku�hendid ( peamiselt ammoniaak NH3) tekivad orgaanilise aine lagunemisel (ammonifikatsioon). Ammoniaak oks�deeritakse bakterite poolt nitraatideks (nitrifikatsioon). L�mmastiku�hendid satuvad atmosf��ri fossiilsete k�tuste p�letamisel. P�llumajandusmaastikes lisandub l�mmastik �kos�steemi kunstv�etiste kasutamisel. Taimed suudavad omastada l�mmastikku ammooniumi ja nitraadi kujul. L�mmastikuringe on tasakaalustatud l�mmastiku pideva tagastamisega atmosf��ri N2 kujul denitrifikatsiooniprotsessi vahendusel. L�mmastiku mineralisatsioon v�ib t�hendada nii summaarset anorg . l�mmastiku (NH3 + NO3-) tootmist v�i ainult ammooniumi tootmist. Ligniin S�sivesikud Tselluloos Hemitselluloos Suhkrud Orgaaniline/ anorgaaniline l�mmastikValgudAminohappedUurea, Nitraat Ammoonium MIKROOBNE LAGUNDAMINE Huumus /fulvohapped NH4+ NH3 CO2 H2O Energia Ligniinhuumus kompleks J��k s�sivesikud Mikroobne biomass Metabolismi vaheproduktid Keskkonnamikrobioloogia konspekt 2005; T�ri Kolledz
Ammonifikatsioon t�hendab org. l�mmastiku bioloogilist muundumist ammooniumiks. Protsessi esimest etappi viivad l�bi rakuv�lised ens��mid: need depol�meriseerivad valgud, aminosuhkrud ja nukleiinhapped . I Eksoens��mid Valke lagundavad prote(in)aasid ja peptidaasid. Kitiini lagundavad kitinaas ja kitobiaas. Peptidogl�kaani lagundab l�sos��m. Nukleiinhappeid lagundavad ribonukleaasid ja desoks �ribonukleaasid (jagunevad endo - ja eksonukleaasid). Ureaas lagundab uurea CO2 ja NH3 -ks. II Rakusisesed ens��mid Aminor �hmade puhul toimub aminor�hma eemaldamine aminohappe deh�drogenaaside v�i ok�daaside vahendusel deamineerimise protsessis. Nukleotiidide lagundamine on mitmeetapiline protsess. Enamasti on aminohapete, aminosuhkrute ja nukeiinhapete lagundamisel heterotroofsete mikroobide eesm�rgiks saada energiat ja s�sinikku. Ammonifikatsiooniprotsessi k�igus vabanenud NH3 v�ib k�sitleda kui katabolismi k�rvalprodukti. L�mmastiku immobilisatsioon on ammoniaagi muundumine orgaaniliseks l�mmastikuks, mis on peamiselt seotud l�mmastiku assimilatsiooniga mikroobide biomassi poolt. Mikroobid assimileerivad ammooniumi kahe biokeemilise raja kaudu: glutamaadi deh�drogenaas ja glutamiini s�ntetaas-glutamaat s�ntaas (GOGAT). GOGAT rada kasutatakse juhul, kui ammooniumi kontsentratsioon on keskkonnas madal. Mikroorganismide osa l�mmastiku-ringes Mikroorganismide funktsionaalsed r�hmad, mis v�tavad osa N-ringest. - 1) nitrifitseerivad bakterid (NH3 .. NO2 .. NO3-) 2) denitrifitseerivad bakterid (NO3-, NO2-, N2O .. N2) 3) l�mmastikku fikseerivad bakterid (N2 .. NH3) 4) nitritit ja nitraati ammonifitseerivad bakterid 5) ammoniaaki assimileerivad (s.o NH3 orgaanilisse ainesse siduvad ) mikroobid - k�ik mikroorganismid 6) deamineerivad mikroorganismid (NH3 eemaldamine aminohapetest, peptiididest ja valkudest) - bakterid ja osa vetikaid Nitrifikatsioon toimub obligaatsete kemolitoautotroofide vahendusel, protsess on aeroobne, selle k�igus assimileeritakse CO2 ja ammoniaak oks�deeritakse nitritiks (Nitrosolobus, Nitrosomonas, Nitrosovibrio, Nitrosococcus, ens��m ammoniaagi monooks�genaas) � nitrifikatsiooni esimene etapp ning nitrit nitraadiks (Nitrobakter, Nitrococcus, Nitrospira) � nitrifikatsiooni teine etapp. Ammoniaaki oks�deerivad bakterid - moodustavad f�logeneetiliselt � htse r�hma (16 rRNA j�rjestuse p�hjal). NH3 + 1.5 O2 ..NO2 + H+ +H2O Ammonaaki oks�deerivad bakterid v�ivad sisaldada nitriti reduktaasi, mis v�ib redutseerida nitriti N2O-ks. Aeroobsetes tingimustes ei ole see protsess oluline, kuid hapniku kontsentratsiooni v�henemisel see protsess kiireneb. Ammoniaagi oks�deerimise tulemusena mulla pH langeb, sest keskkonda eraldatakse H+-ioone. - Nitriti oks�deerimine: summaarne reaktsioon NO2 + 0.5 O2 ..NO3Nitrifikatsiooni kiirus s�ltub nitrifitseerijate arvukusest (tavaliselt on arvukus v�ike: 103-104 rakku g-1), substraadi kontsentratsioonist, temperatuurist (opt. 25- 300C ), pH (opt 7.5-8.0), hapniku kontsentratsioonist. Nitrifikatsioniks on vaja: min O2:NH4-N ~4.3; min aluselisus (CaCO3): NH4-N ~8.6. Nitrifikatsiooni � heks tagaj �rjeks on l�mmastiku v�ljauhtumine mullast, sest erinevalt ammooniumist ei absorbeeru nitrit ja nitraat mullaosakeste pinnale. Nitrifikatsiooni inhibeerimiseks kasutakse p�llumajanduses erinevaid kemikaale (Nserve, DCD). Looduses esineb ka heterotroofne nitrifikatsioon, mida viivad l�bi nii bakterid (Alcaligenes, Arthrobacter, aktinom�tseedid) kui ka seened (Aspergillus). Energiat sellest protsessist ei saada. Dissimilatoorne nitraadi redutseerimine toimub fakultatiivse metabolismiga bakterite vahendusel, kes kasutavad hapniku puudumisel elektroni aktseptorina nitraati. (NO3-+4H2 +2H+. NH4+ +3H2O). Energiat saadakse protsessi esimesest etapist (nitraadi redutseerimine nitritiks), teise etapi (NO2-. NH3) eesm�rgiks on regenereerida NAD ja see toimub juhul, kui keskkonnas on piisavalt orgaanilist s�sinikku. �ksnes nitraati nitritiks redutseerivaid baktereid nimetakse nitraadi hingajateks (nitraadi redutseerijad), t�� piline n�ide enterobakterid . - Denitrifikatsioon on dissimilatoorse nitraadi redutseerimise p�hivorm (NO3 +5H2 +2H+. N2 + 6H2O ). Denitrifitseerijad bakterid moodustavad 0.1 kuni 5% kogu bakterikooslusest mullas Enamik denitrifitseerivaid baktereid on heterotroofid ja kuuluvad erinevatesse taksonoomilistesse ja f�logeneetilistesse r�hmadesse, k�ige sagedamini perekondadest Pseudomonas ja Bacillus . V�tmeens��mid denitrifikatsiooni protsessis on nitraadi reduktaas ja nitriti reduktaas (kaks vormi: Cu-Nir ja heme-Nir). Protsessi kiirus s�ltub hapniku , nitraadi ja org. s�siniku kontsentratsioonist, keskkonna pH, temperatuurist. Denitrifikatsiooniks vajalik min COD:NO3-N ~2.9. inhibeerivad atset�leen, CO2, ts�aniid, nitrap�riin, pestitsiidid , sulfaat. D. intensiivsus metsas L�mmastiku fikseerimine. N2 redutseeritakse nitrogenaas-kompleksi (dinitrogenaas-reduktaas (Fe valk) ja dinitrogenaas (MoFe valk)) vahendusel. Nitrogenaas on tundlik hapniku suhtes, vajab Mg2+ aktiveerimiseks, ADP inhibeerib. Protsess vajab palju energiat (ATP), protsessi effektiifsus on keskmiselt 15 mg N g-1 s�sinikuallika kohta (13 kg tonni s�siniku kohta). Nitrogenaas moodustab ca 10% raku valkudest, kuid osakaal v�ib olla ka suurem. Nitrogenaas-kompleksi formeerumist inhibeerivad l�mmastiku�hendid keskkonnas (NH3, NO3, org. N). N2+8H++8e-+16MgATP. 2NH3+H2+16MgADP+16Pi Lisaks N2 v�ib nitrogenaasi vahendusel redutseerida Denitrifikatsiooni reguleerivad tegurid erinevatel HCN, HN3, CH3NC, C2H2- atset�leen. N2 seovad ainult �ksikud bakteriliigid. N2 sidumine toimub nii ruumilistel skaaladel. aeroobsetes kui ka anaeroobsetes tingimustes. N2 seovad j� rgmised ts�anobakterite liigid -Anabaena, Nostoc, Oscillatoria, fototroofsed bakterid - Rhodospirillum, Rhodopseudomonas, kemotroofsed bakterid - Spirillum , Azotobakter, Beijerinckia, Rhizobium, Escherichia. L�mmastiku sidumine vabalt elavate mullabakterite poolt: selleks on vaja mol�bdeeni, rauda, Mg, ATP. bakterid kasutavad nitrogenaasi kaitsmiseks hapniku eest erinevaid mooduseid: anaeroobid fikseerivad N2 �ksnes hapniku puudumisel, mikroaerofiilid teevad seda v�ikses hapniku konts. juures, kiire hapniku tarbimine hingamisel raku sees, spetsialiseeritud rakud - heterots�stid ja vesiikulid. Assotsiatsioon taime ja N2 siduvate bakterite vahel: l�mmastiku sidumine f�llosf��ri ja risosf��ri bakterite poolt; 5-25 kg N ha-1 a-1. N2 sidumine toimub intensiivselt mikroelupaikades l�hikestel perioodidel . L�mmastiku sidumine s�mbioosis 1.-Rhizobium ja liblik �ielised taimed, varasem perekond Rhizobium on jaotatud 4 (Rhizobium, Sinorhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium) perekonda kokku 16 liigiga . Noodulite moodustumine taime juurel- selleks vajalikud geenid paiknevad plasmiidis. L�mmastiku fikseerimine algab noodulis 8-16 p�eva p�rast bakteri tungimist taimerakku. Noodulid koosnevad neljast erinevast tsoonist. Aktiivne N2 sidumine toimub tsoonis, kus paikneb leghemoglobiin. S�ltuvalt nooduli t��bist eksporditakse NH3 v�i glutamaati, aspartaati, p�riine peremeestaime rakkudesse. Noodulite moodustumise puhul on tegemist peremeestaime spetsiifilisusega: maap �hklil v�ivad nooduleid moodustada mitmed erinevad Bradyrhizobiumi liigid, L�his-Ida hernesordid ei nakatu Euroopa hernesortidel kasvavate Rhizobiumi liikidega. Vajalikud keskkonnatingimused : mulla neutraalne pH, mesofiilid, fosfor- ATP, mol�bdeenja raud-nitrogenaas ja leghemoglobiin, kaltsium. 65 % p�llumajanduses kasutatavast l�mmastikust on saadud bioloogiliste protsesside tulemusel. Frankia moodustab nooduleid katteseemnetaimedel lepp ( Alnus ), m�rt (Myrica), Purchia; Azolla/Anabaena (vees� najalg + ts�anobakter Anabaena azollae); seob kuni 2 kg N ha-1 p�evas, madal C/N suhe, kasutatakse riisip�ldude v�etamiseks Aasias. Samblikud - seen + ts�anobakter. 1.3. V��VLIRINGE Reservuaarid: Maakoores - kips ( CaSO4 ) ja p�riit (FeS2), ookeanis - sulfaatioon (2.6 g/l), H2S ja S0, magevesi - sulfaat, H2S ja S0, maismaa � v��vli orgaanilised ja anorgaanilised �hendid, atmosf��r - v��veloksiid (SO2), metaansulfoonhape (CH3SO3-), H2S. V��vliringe on v��vli ts� kliline liikumine elutust loodusest elusasse ja tagasi, kusjuures muutub v��vli oks�datsiooniaste. V��vliringes on olulised elusolendid , eriti bakterid. V��vel esineb looduses anorgaanilisel ja orgaanilisel kujul. P�hiosa v��vlist paikneb maakeral kivimites. Mullas moodustab orgaaniliste �hendite v��vel ~90% kogu v��vlist ja anorg. v��vli on osa v�ike. Anorg. v��vel esineb keskkonnas sulfaadina (SO42-) v�i sulfiidina (S2-), harvem elementaarse v��vlina (S0). Orgaaniline aine, mis sisaldab v��vlit - aminohapped ts�stiin, ts�steiin, metioniin, raua-v��vli kompleksi sisaldavad valgud. Mulla orgaaniliste v��vli�hendite identifitseerimine on keerukas, � ldiselt jagatakse need �hendid kahte r�hma: orgaanilised sulfaadid (R-O-S: CO- S sulfaatide estrid , C-N-S sulfamaadid, N-O-S tiogl�kosiidid) ja s�sinikuga seotud v��vel (C-S, aminohapped, heterots�klilised �hendid). Keskkonnamikrobioloogia konspekt 2005; T�ri Kolledz
Orgaanilised sulfaadid moodustavad 30-70% kogu orgaaniliste �hendite v��vlist mullas. Mikroobide biomassi v��vel moodustab 2-3% kogu orgaanilisest v��vlist mullas. P�llumullas on C:N:S suhe 90:8:1. V��vliringe t�htsamad protsessid Sulfaadi assimilatoorne redutseerimine - sulfaat redutseeritakse taimede, seente ja erinevate V��vliringe prokar�ootide poolt orgaaniliseks sulfoh�driilr�hmaks (R-SH) assimilatoorne Orgaaniline S desulfurat sioon Desulfurisatsioonorgaanilise aine -v��vlit molekulidestsisaldavatest eemaldatakse sulfaadi redutseerimine dissimilatoorne sulfaadi oks� deerumine v��vel, tekib v��velvesinik (H2S) V��velvesiniku oks�datsioon -tekib SO42redutseerimine H2S elementaarne v��vel (S0), protsessi viivad l�bi fotos�nteesivad rohelised ja purpursed v��vlibakterid ja m�ned kemolitotroofid V��vli dissimilatoorne redutseerimine - elementaarne v��vel redutseeritakse v��velv��vli redutseerimine SS oks�deerimine H2S oks�deerimine vesinikuks Sulfaadi dissimilatoorne redutseerimine - sulfaadist tekib v��velvesinik Redutseeritud v��vli�hendite oks�datsioon Anorgaaniliste v��vli�hendite oks�deerimine annab piisavalt H2S + 0.5 O2 ..So + H2O energiat aeroobsetele v��vlit oks�deerivatele bakteritele, kes v�ivad olla nii obligaatsed atsidofiilsed kemoautotroofid, fakultatiivsed So + 1.5 O2 ..H2SO4 kemoautotroofid ja miksotroofid. Lisaks bakteritele suudavad HS- + 2O2 ..SO42-+ H+ v��vlit ok�deerida ka osad arhed. V��vlit oks�deerivad bakterid: Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiobacterium, Sulfolobus, Siderocapsa. Paljud kemotroofsed v��vlioks�deerijad kasvad madala pH juures (Thiobacillus ferrooxidans 1.5-5, Thiobacillus thiooxidans 2-5). Mitmed erinevad heterotroofsed mikroobid suudavad samuti oks�deerida v��vlit: Arthrobacter, Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas, osa aktinom�tseete ja seeni (Absidia, Alternaria, Fusarium, Trichoderma). Heterotroofid sellest protsessist energiat ei saa. Arvatakse, et kuna heterotroofid domineerivad mullas, siis on nad ka p�hilised v��vli oks�deerijad seal, eriti neutraalse ja aluselise reaktsiooniga mullas. Samuti on v�imalik, et kui heterotroofse oks�datsiooni tagaj� rjel on mulla pH piisavalt langenud, siis hakkavad v��vli oks�datsiooniprotsessis domineerima kemolitotroofid. V��vli oks�deerimist mullas v�ib l�bi viia ka heterotroofidest ja autotroofidest koosnev konsortsium. Redutseeritud v��vli�hendite fototroofne oks�datsioon Rohelised ja purpursed v��vlibakterid (Chromatiaceae, H2S ..S0 + 2H+ + 2e- Ectothiorhodospiraceae, Chlorobiaceae) moodustavad CO2 + H2S ..S0 + [CH2O] + H2O morfoloogiliselt mitmekesise r�hma. Purpursed v��vlibakterid 3CO2 + 2S + H2O..3[CH2O] + moodustavad �htse f�logeneetilise r�hma koos mittefototroofsete v��vlibakteritega (Beggiatoa, Thiobacillus). Elupaika iseloomustavad: valguse olemasolu ja H2S, mis on enamasti p�rit lagunevast orgaanilisest ainest v�i sulfaadi redutseerimist. Tekkinud v��vel koguneb gloobulitena rakkudesse v�i eraldatakse keskkonda. Oks�deeritud v��vli�hendite redutseerimine, dissimilatoorne sulfaadi redutseerimine ( sulfaatne hingamine) SO42-, So .. H2S Protsessis osalevad sulfaate redutseerivad bakterid ja v��vlit redutseerivad (organotroofsed) bakterid. Need bakterid kasutavad sulfaate elektronide aktseptorina orgaaniliste �hendite (v�ikese molekulmassiga org. happed, alkoholid, H2) oks�deerimisel anaeroobsetes tingimustes. Ranged anaeroobid, levinud veekogudes ja mullas. Sulfaate redutseerivad bakterid perekondadest Desulfomonas, Desulfovibrio, Desulfomaculum, Desulfobacter. Kasvavad laias pH ja soolsuse vahemikus. V��vli�hendite redutseerimisel bakterite poolt tagaj�rjeks on H2S ja vaba v��vli (So) kogunemine keskkonda. H2S kiirendab korrosiooniprotsesse Keskkonnamikrobioloogia konspekt 2005; T�ri Kolledz
Sulfaadi assimilatoorne redutseerimine. Taimed ja m�ningad bakterid v�ivad v��vlit omastada ka sulfaadina. Osalevad ATP sulfur�laas, APS (adenosiin 5�-fosfosulfaat) ja PAPS (3�-fosfoadenosiin-5�-fosfosulfaat). Enamik assimileeritud v��vlist kasutatakse aminohapete s�nteesiks, kuid mikroobid v�ivad akumuleerida v��vlit sulfaadi estritena (eriti seened), sulfonaatidena, vitamiinide ja kofaktoritena. Anorg. v��vli lisandumisel mulda seotakse see kohe orgaanilistesse �henditesse mikroobse assimilatsiooni teel, protsessi kiirus on s�ltuv energiaallika (org. aine) olemasolust keskkonnas. V��vli mineralisatsioon mullas toimub peamiselt mikroobide vahendusel. C-S �hendid mineraliseeritakse kas aeroobse v�i anaeroobse lagundamise k�igus. C-O-S �hendid lagundatakse erinevate sulfataaside vahendusel. R-O-SO3-+ H2O . ROH + H+ + SO42Heterotroofsed mikroobid lagundavad org. v��vli�hendeid selleks, et saada kasvuks V��vli mineralisatsioon mullas . C-S �hendid mineraliseeritakse kas aeroobse v�i anaeroobse lagundamise k�igus. . C-O-S �hendid lagundatakse erinevate sulfataaside vahendusel. R-O-SO3 + H2O . ROH + H++ SO4 - 2 1) Orgaanilise v��vli otsene bioloogiline mineralisatsioon s�siniku oks�datsiooni k�igus 2) Ts�steiini h� drol ��s (ts�steiini desulfoh�drolaas) 3) Orgaanilise aine anaeroobne mineralisatsioon 4) V��velvesiniku bioloogiline oks�deerimine 5) Orgaanilise v��vli mittet�ielikoks�datsioon anorgaanilisteks �henditeks 6) Bioloogiline oks�deerumine 7) Sulfaatide estrite biokeemiline (kaudne) mineralisatsioon (sulfataasid) vajalikku energiat ja s�sinikku, C-S side l�hutakse ja v��vel eraldub sulfiidina. Kui on tegemist aktiivselt kasvavate mikroobidega, siis nad kasutavad �ra ka v��vli ja anorg. v��vli�hendite kogunemist keskkonda ei toimu. Kaudse mineralisatsiooni korral toimub C-O-S �hendite lagundamine rakusiseste v�i � v�liste ens��mide vahendusel (protsessi nimetatakse ka ens�maatiliseks mineralisatsiooniks), enamasti v� ljaspool rakku. Otsene mineralisatsioon on s�ltuv mikroobide vajadusest s�siniku- ja energiaallika j� rele , kaudne mineralisatsioon on s�ltuv teguritest, mis m�jutavad ens��mide s�nteesi, aktiivsust ja kineetikat. Mineralisatsiooni kiirust hinnatakse SO42--S kogunemise j�rgi keskkonda. Kui orgaanilise aine C/S suhe 200 v�i v�hem, siis toimub SO42--S kogunemine mullas. V��vli immobilisatsioon toimub juhul, kui C/S suhe on suurem kui 400/1.Vahemikus 400:1 ja 200:1 mineralisatsiooni ega immobilisatsiooni ei toimu. Mineralisatsiooni m�jutavad tegurid: energia ja toitainete allikad, C/S suhe, vee k�ttesaadavus, pH, temperatuur, redokspotentsiaal . Redutseeritud v��vli�hendite oks�deerimisel p�hinevad �kos� steemid . S�vameres paiknevatest h�drotermaalsetest l��ridest v�ljub sulfiidide rikas vesi. Neid sulfiide kasutavad v��vlit oks�deerivad bakterid, kelledest osa elab vabalt vees v�i mikroobses matis (Beggiatoa spp.), osa s�mbiootiliselt molluskite ja usside kudedes, osa epibiontidena teiste organismide (krevetid, nematoodid ) keha pinnal. V��vliringe m�ju teiste elementide ringele biosf��ris. V��vli oks�deerimise tulemusena tekib tugev hape , mis soodustab fosfori ja teiste mineraaltoitainete lahustuvust mullavees. Maavarade kaevandamisel paljanduvad redutseeritud v��vli�hendeid sisaldavad kivimikihid ja v��vli�hendite oks�deerimise tulemusena tekib happeline kaevandusvesi, mis ohustab looduslikke veekogusid. Kivis �si, p� levkivi ja osa naftat sisaldab palju v��vlit, mis p�lemisprotsessis k�igus muutub SO2-ks. SO2-st tekib atmosf��ris H2SO3. Selle tulemuseks on happevihmad (pH=3.5-4). 1.4. FOSFORIRINGE Fosforiringe on seotud geoloogilise ringega ja sellel puudub Fosfor veekogudes. Fosfaatioonid on atmosf��riga seotud komponent . Fosfor leostub aeglaselt v�lja vees v�hem keemiliselt seotud kui kivimeist ja osa sellest deponeerub ookeanisetetesse. Fosfori mullas.Mullast (litosf��rist) satub fosfor oks�datsiooniaste ringes ei muutu, fosfor j��b k�igil f-i astmeil veekogudesse seotuna osakeste fosfaatr�hma ( PO43 -) osaks. Sellisena v�ivad fosforit omastada pinnale, mitte lahustunud fosfaat peaaegu k�ik organismid. Taimed omastavad vajaliku fosfori (PO43 ioonina.Veekogudesse juhitavad reo ) kujul mullast. K�rgemad loomad saavad vajaliku fosfori veed on k�rge fosfori sisaldusega, mis orgaanilistest �henditest. Fosfaatioonina esineb fosfor organismides p� hjustab vetikate vohamist (eutro nukleiinhapetes, rasvades ja fosfor��litud s�sivesikutes. Orgaanilise feerumist). aine lagunemisel l�heb fosfor mulda tagasi fosfaatioonina. Fosfaatsoolad v�ivad v�ga tugevalt seonduda mulla raua-, alumiiniumi-, kaltsiumi- ja savi�henditega ning muutuda sel teel taimedele k�ttesaamatuks. Enamikus muldades ja veekogudes esineb fosfori defitsiit. Taimed omastavad mulla �henditega seotud fosforit m�koriisa abil. (M�koriisa e. seenjuur on moodustis , mis tekib seene ja k� rgema taime kooselu tagaj�rjel taime juurte l�bip�imumisel seeneniitidega.) Keskkonnamikrobioloogia konspekt 2005; T�ri Kolledz
Fosforiringe v�ib jagada geokeemiliseks ja bioloogiliseks ringeks. Bioloogilises ringes toimub ortofosfaadi omastamine taimede poolt v�i immobilisatsioon mikroobsesse biomassi. Kui taimej��nused (varis) lagunevad pinnases, siis orgaanilised fosfori�hendid v�ivad seonduda huumusainega v�i minna mikroobide biomassi. Mikroobide biomassis olev fosfor on omakorda mineralisatsiooni ja immobilisatsiooni objektiks . Geokeemilises ringes tolimub fosfaatide lahustumine mineraalidest keemiliste v�i biokeemiliste protsesside vahendusel. Fosfori mineralisatsioon on ens�maatiline protsess ja selles protsessis osalevaid ens��me nimetatakse fosfataasideks. Fosfataasid on ekstratsellulaarsed ens��mid, jagunevad kolme r�hma: Fosfomonoesteraasid h�drol��sivad fosfaate monoestritest ( nukleotiidid , fosfolipiidid ), fosfodiesteraasid h�drol��sivad fosfaate diestritest (nukleiihapped), f�taasid h�drol��sivad fosfaate inositoolfosfaatidest. Fosfori immobilisatsioon mikroobide biomassi s�ltub C/P suhtest keskkonnas. Kui C/P suhe on v�iksem kui 200/1, siis toimub mineralisatsioon. Kui C/P suhe on suurem kui 300/1, siis toimub immobilisatsioon. Kui see suhe on vahemikus 200-300, siis muutusi keskkonna fosfaatide konsentratsiooni osas ei toimu. Fosfori mineralisatsiooni s�ltub keskkonnateguritest, mis m�jutavad mikroobide aktiivsust (temperatuur, pH, aeratsioon, niiskus). Mulla mikroobid v�ivad suurendada fosfori k�ttesaadavust taimedele, kui nad eritavad keskkonda orgaanilisi happeid , mille tulemusena suureneb fosfori lahustuvus . Loomad ATP TaimedPO44 3- VesiNa xx HH yy PO44 KK xx HH yy PO44 DetergendidNa33PO44 V�etisedNa xx HH yy PO44 KK xx HH yy PO4 Ca xx(OH)yy(PO44))zz KimividCa xx(OH)yy(PO44))zz Fe xx(OH)yy(PO44))z Mgxx (OH)yy(PO44))zz V�etisedNa xx HH yy PO44 KK xx HH yy PO4 Lahustumatud orgaanilised fosfaadid Lahustuvad orgaanilised fosfaadid Lahustuv anorgaaniline fosfaat Mikroobne lagundamine Keskkonnamikrobioloogia konspekt 2005; T�ri Kolledz
2. VEE MIKROBIOLOOGIA 2.1. Looduslikud veekogud H�drosf��r Maad �mbritsev veekiht moodustab h�drosf��ri. H�drosf��r sisaldab ookeanide, merede , j�rvede, j� gede , j��, atmosf��ri (aur) ja maap�ue vett. Ainult