70

OBIECTIV ȘI ISTORIE

DEFINITIA MICROBIOLOGIEI

MICROBIOLOGIA (micros-mic, bios-viata, logos-vorbire) este stiinta carestudiaza forma, structura (morfologia), genetica, procesele metabolice dinorganismele microscopice si submicroscopice.

Microbiologia este o stiinta relativ tanara, care prezinta interes nu numaistiintific, ci si practic, pentru diferite domenii ale activitatii umane: medicina,agricultura, alimentatia, biotehnologia, etc.

Fiind ea insasi o stiinta ce s-a putut dezvolta ca urmare a dezvoltarii tehnicesi tehnologice, microbiologia a luat amploare abia in ultimele decenii ale acestuisecol. Acumularile teoretice si practice din domeniile fizicii nucleare, ale biologieicelulare si moleculare, ale tehnicilor informationale, au condus la imbunatatirealogisticii microbiologiei si, implicit, la dezvoltarea rapida a microbiologiei ca stiintade mare amplitudine.

In unele ramuri industriale, microbiologia formeaza cvasitotalitateaproceselor tehnologice. Se pot exemplifica astfel industriile fermentative si a antibioticelor, statiile de epurare a dejectiilor, s.a., domenii in care cunoasterea fiziologiei si a metabolismului microorganismelor permite dirijarea corecta a proceselortehnologice in vederea obtinerii unor produse utile vietii si activitatii umane, decalitate superioara si cu randamente ridicate.

Principalele ramuri subordonate ale microbiologiei, cu statut aparte si avandpreocupari specifice, sunt:

• bacteriologia - se ocupa cu studiul bacteriilor;• micologia - se ocupa cu studiul ciupercilor microscopice si macroscopice;• protozoologia - se ocupa cu studiul protozoarelor;• virologia - se ocupa cu studiul virusurilor;• parazitologia - se ocupa cu studiul parazitismului si organismelor parazite;• algologia - se ocupa cu studiul organismelor acvatice simple, numite alge.La aceste discipline microbiologice trebuie adaugate si domeniile aplicative

ale microbiologiei:• imunologia - studiaza sistemul mecanismelor de aparare al organismelor, care• le protejeaza fata de o eventuala infectie si/sau de orice substanta straina care• patrunde in interiorul lor.• microbiologia sanatatii publice si epidemiologice - are ca scopmonitorizarea si controlul raspandirii bolilor in comunitati;• microbiologia alimentelor si a apei - examineaza rolul pozitiv sau negativ almicroorganismelor in alimente si apa;• microbiologia solului - studiaza interrelatia dintre microorganism, sol siplante, rolul microorganismelor in fertilitatea solului si in circuitul elementelorbiogene in natura;• microbiologia agricola - studiaza relatia dintre microorganisme si recolte, in

70

scopul cresterii productiei si calitatii acestora;• microbiologia petrolului - studiaza rolul microorganismelor in genezazacamintelor de petrol;• • microbiologia mediului - studiaza microorganismele prezente in sol, apa siaer, ocupandu-se de solutionarea problemelor practice din domeniul sanitar;• •biotehnologia - include orice proces prin care oamenii utilizeazamicroorganisme sau procese biologice pentru obtinerea unui produs dorit;• microbiologia industriala - utilizeaza microorganisme pentru a producecantitati mari de produsi utili ca: vitamine, aminoacizi, enzime, medicamente;• ingineria genetica - implica tehnici care in mod deliberat modifica fondulgenetic al organismelor pentru a induce obtinerea de noi combinatii genice.Reprezinta cel mai dinamic domeniu al microbiologiei moderne.

Microbiologia medicală umană i veterinară i a patologiei plantelor-ș ș rela iileț microorganismelor patogene- organisme gazdă, supravie uirea i condi iile transmiteriiț ș ț în natură, influen a factorilor de mediu, mecanismele moleculare de ac iune împotriva lorț ț i reac ia gazdelor fa ă de agresiune.ș ț ț

Desprinderea microbiologiei în ramuri diferite: Microbiologia solului, Microbiologia acvatică, Geomicrobiologie, Microbiologia medicala – fiecare cu tehnici speciale, concepte i terminologii proprii-determină un caracter autonom alș acestor domenii interconectate două tipuri de demersuri:1. autecologic=rela ia dintr-un microorganism(individ) i gazda sa (mediul său);ț ș

2. sinecologic= rela iile dintre microorganisme (comunitate biologică) i un anumitț ș mediu:

Microbiologia mediului (Jannasch, 1984)-studiu integrat al rela iilor biologiceț dintr-un habitat comun i interac iunile ce apar cu alte organisme i mediul înconjurător.ș ț ș

În prezent microbiologia ecosistemelor naturale (sol, apă, aer) se extinde i asupraș zonelor expuse activită ilor perturbatoare umane (agricultura intensă, poluarea apelor,ț etc).

Particularită i ale domeniului:ț biodiversitate imensă imposibilitatea reproducerii în laborator caracterul interdisciplinar tehnici i aparaturăș explorarea unor medii extreme implicarea societă ii umaneț

Rolul microoganismelor în func ionarea ecosistemelor are o importan ăț ț esen ială-3 nivele diferiteț

1. Activitate la nivel individual2. Activitate la nivel de ecosistem3. Activitate la nivel global

70

SCURTA ISTORIE A MICROBIOLOGIEIIstoria microbiologiei ar putea fi stucturata in patru etape, si anume:1. Perioada de individualizare ipotetica a factorului determinant al bolilor, inspecial umane;2. Etapa cunoasterii nemijlocite a microorganismelor;3. Perioada de sintetizare si de corelare a cunostintelor stiintifice in domeniulmicrobiologiei;4. Etapa contemporana, de interconectare a microbiologiei cu alte stiinte, inscopul ridicarii valorii sale socio-umane.Aspecte importante ale istoriei microbiologiei.Descoperirea instumentului optic numit microscop, a ervolutionat vasta si

diversa lumea a microorganismelor fara de care nu ar fi putut fi cunoscuta. ANTONIE VAN LEEWENHOEK (1632-1723) este cel care a descoperitlumea invizibila a microorganismelor, fiind primul care le-a observat prin marire cuajutorul microscopului simplu, cu o singura lentila, de constructie personala.

Pe baza desenelor detaliate ale "animalculelor" (animale foarte mici,mobile) observate pe preparate provenind din diferite medii - apa de ploaie, tartruldentar si apele din canalele de scurgere - acestea au fost ulterior identificate cafiind reprezentanti ai bacteriilor,drojdiilor si protozoarelor. Astfel, Leewenhoek aatras atentia asupra microorganismelor, fara sa le acorde statutul unor organismeaparte.

ROBERT HOOKE, in urma studiilor realizate la microscop, descoperea in1665 celula, marcand astfel inceputul unei teorii celulare, consolidate ulterior dealti savanti.

MATTHIAS SHLEIDEN si THEODOR SCHWANN, in urma cercetarilor,stabilesc clar teoria conform careia toate organismele, deci si microorganismele,sunt alcatuite din celule. Studiile ulterioare privind structura si functiile celulelor auavut la baza aceasta teorie celulara, constituind una din cele mai importantegeneralizari ale Biologiei.

LAZZARO SPALLANZANI (1729-1799) cunoscand indeaproapemicroscopul, se ocupa de teoria " generatiei spontane", subiect controversat inacea vreme. Se credea cu toata convingerea ca "dintr-o substanta organica indescompunere se pot naste spontan organisme vii". Aceasta teorie era cunoscutade pe vremea lui Aristotel si a fost admisa fara obiectii, deoarece asa sustineamarele Aristotel.

In anul 1665, biologul florentin FRANCESCO REDI (1626 - 1697) lanseazaprimele critici timide in legatura cu teoria anterior amintita, lansand aforismul"omne vivum a vivo" (tot ce e viu vine din ceva viu).

Un secol mai tarziu (1765), Spallanzani aduce argumente si combate teorialui Aristotel, care avea sa domine totusi pana in 1861, cand Louis Pasteur oinlatura definitv printr-o sintagma ramasa celebra: "si microbii trebuie sa aibaparinti".

Epoca pasteuriana-responsabilă de demonstrarea faptului că mediul extern = sursa de microorganisme cu atribu ii înț :

70

a. Transformările fermentative ale substan elor organiceț (microorganisme specifice i străine);ș

b. Patologice-particularită ile biologice ale microorganismelor patogeneț i modificarea proprietă ilor esen iale (virulen a, patogenitatea,ș ț ț ț

muta iile).ț Ex . - reducerea nitra ilor Schonbein 1868ț ;- nitrificarea Schloesing&Mϋntz.

LOUIS PASTEUR (1822 - 1895), chimist, biolog si imunolog francez, unuldintre intemeietorii stiintelor microbiologice, este cel care a infiintat primelelaboratoare de cercetare, fiind considerat geniul microbiologiei. Pasteur ademonstrat ca fermentatiile, considerate anterior procese pur chimice, suntprocese biologice determinate de actiunea microorganismelor, in specialanaerobe. El dovedeste ca fermentatia este "un act corelativ unui proces vital", osursa de energie necesara dezvoltarii germenilor, si ca "o fermentatie determinataare fermentul sau determinant". Realizarea faptului ca drojdiile joaca un rol crucialin fermentatii a reprezentat primul concept care asocia activitatea unuimicroorganism cu modificarile fizico-chimice ale materiei organice. Extinzandcercetarile sale asupra fermentatiilor, a pus in evidenta natura infectioasa a unorboli ale vinului si ale berii. Pentru impiedicarea alterarii vinului si berii, Pasteur aimaginat procedeul incalzirii blande - pasteurizarea - aplicat ulterior si laptelui siutilizat ca procedeu de sterilizare si in domeniul medical. Au fost puse astfelbazele tehnicilor aseptice care constituie in prezent standardele de laborator.Pasteur stabileste principiul specificitatii microbiene, punand bazele teorieibolilor infectioase si demonstrand ca acestea sunt rezultatul patrunderii inorganism a unor agenti patogeni: intre activitatea unui agent patogen siparticularitatile pe care le determina exista o anumita specificitate. Pasteurevidentiaza principiul vaccinarii si stabileste bazele stiintifice ale preparariivaccinurilor. A demonstrat pentru prima data ca agentii patogeni, chiar cei maipericulosi, pot fi modificati pentru a fi folositi ca vaccinuri. El a numit vaccinuriculturile avirulente utilizate pentru inocularea preventiva ce stimuleaza imunitateaorganismului fata de tulpina microbiana virulenta.

Incununarea operei sale a fost descoperirea vaccinarii antirabice,aplicata pentru prima data la om in 1885.

ROBERT KOCH (1843-1916), savant german contemporan cu Pasteur, aavut de asemenea un rol deosebit in dezvoltarea microbiologiei medicale, prindescoperirea unor numerosi agenti patologici raspunzatori de numeroase boli laom si animale, cum ar fi tuberculoza, holera etc. El a elaborat o serie importantade tehnici de izolare, utilizand mediile de cultura solidificate (cu gelatina) pe carecresterea microorganismelor se face sub forma de colonii izolate. Cum o coloniemicrobiana reprezinta descendenta unei singure celule parentale, insamantarea eiulterioara intr-un mediu steril genereaza o cultura de celule din aceeasi specie sautulpina. Descoperirea acestei posibilitati de a obtine culturi pure a constituit unprogres care a stat la baza Microbiologiei moderne, deoarece a oferit un mijlocsimplu si sigur de izolare a bacteriilor, in vedera studierii biologiei lor, a identificariisi incadrarii lor sistematice. Koch a utilizat tehnici de colorare pentru preparatelemicroscopice (frotiuri) si in 1882 a identificat bacilul care-i poarta numele (B.K.),

70

agentul patogen al tuberculozei. In 1905, Koch este recompensat cu premiul Nobelpentru fiziologie si medicina.

HANSEN (1842- 1909) deschide calea Microbiologiei industriale moderne,prin utilizarea culturilor pure de microorganisme ca starteri de fermentatie.

I. MECINIKOV (1845-1946), lucrand la Institutul Pasteur din Paris, aevidentiat procesul de fagocitoza, demonstrand pentru prima data rolul leucocitelordin sange in reactiile de aparare ale organismului fata de agentii patogeni, prininglobarea si distrugerea acestora.

P. EHRICH (1854-1915) este creatorul teoriei moderne a dezinfectiei sichimioterapiei selective, sintetizand primele substante chimice active in terapiabolilor produse de spirochete si protozoare. Lucrarile sale au deschis calea spreera substantelor chimioterapice.

S. WINOGRADSKI (1856-1953), intemeietorul Microbiologiei solului, adescris procesul de asimilare la organismele chimiosintetizante si fenomenul defixare al azotului atmosferic de catre microorganisme. A elaborat metode specialepentru cercetarea activitatii microorganismelor din sol.

A. FLEMING (1881-1955) deschide prin lucrarile sale era antibioticelor, deo mare importanta in medicina si biologie. In 1929 el observa ca unele culturi alemucegaiului Penicillium elaboreaza o substanta antimicrobiana specifica:penicilina. Acest prim antibiotic a fost mai tarziu purificat de Florey si Chain(1940), care au oferit terapeuticii infectioase un produs stabil, atoxic pentru om sianimal, activ in vivo asupra unor specii de micoorganisme.WAKSMAN in 1944 descopera streptomicina, antibiotic elaborat de multespecii de actinomicete si deschide calea pentru obtinerea de noi antibiotice.TWORT si D'HERELLE (1915-1917) au avut un rol deosebit in evolutiaconceptelor fundamentale de bacteriologie si virologie prin descoperireabacterofagilor (virusuri care paraziteaza bacteriile) si a fenomenului de lizogenie.

A. LWOFF a adus contributii deosebite la definirea virusurilor, dupa 1953.El a analizat relatia dintre fag si bacterie, precum si fenomenul de lizogeniesugerand interventia unui mecanism similar in patogenia cancerului. Este laureatal premiului Nobel pentru biologie.Agentii infectiosi subvirali au fost izolati in 1971 de DIENER, care ademonstrat ca moleculele de ARN nude, numite viroizi, pot determina efectepatogene la plante.

PRUSINER, in 1981-1984, a demonstrat ca moleculele de proteine, numiteprioni, pot fi infectioase pentru om si animale.

In Romania, doi savanti de renume mondial, VICTOR BABES si IOANCANTACUZINO au contribuit la fondarea Microbiologiei moderne.

VICTOR BABES (1854-1926) a lucrat in laboratorul lui Pasteur, iar maitarziu in laboratorul lui Koch. De formatie anatomo-patolog, si-a insusit tehnicilemicrobiologice si a orientat investigatia medicala spre studiul actiunii reciprocemicroorganism-gazda. A colaborat cu A.V. Cornil la primul Tratat de Bacteriologiedin lume aparut la Paris in 1885. A descoperit noi specii microbiene, a pus inevidenta corpusculii Babes-Negri in celulele nervoase ale indivizilor morti deturbare si corpusculii Babes-Ernst in bacilii difterici. In cercetarile sale asupraantagonismului bacterian a anticipat descoperirea antibioticelor; a studiat

70

numeroase boli infectioase. Este creatorul Institutului "Victor Babes" din Bucurestisi organizatorul primelor laboratoare de igiena si bacteriologie.

IOAN CANTACUZINO (1863-1936), format in laboratorul condus deMecinikov la Institutul Pasteur din Paris, a continuat cercetarile maestrului sauprivind imunitatea nevertebratelor. A studiat patogenia holerei, tuberculozei si aaltor boli, vaccinul si vaccinarea antiholerica . A creat Scoala contemporana demicrobiologie, initial in laboratorul de medicina experimentala al Facultatii deMedicina din Bucuresti, apoi in Institutul de Cercetari Microbiologice pe care l-afondat in 1921.

Opera acestor doi mari savanti romani a fost continuata de alti savanti dereputatie internationala: Constantin Levaditi, Dumitru Combiescu, ConstantinIonescu-Mihaiesti, Stefan Nicolau, Mihai Ciuca, Gheorghe Zarnea si altii.In perioada de dupa 1910, din totalul premiilor Nobel pentru medicina sifiziologie, peste o treime au fost acordate microbiologilor si specialistilor indiscipline inrudite.

Microbiologia continua sa progreseze in fiecare an cu ajutorul anoi tehnici si noi date furnizate de cercetare.

Microorganismele sunt organisme unicelulare care cuprind după Robert Whittaker a un sistem de organizare format din cinci regnuri de baza:

1. Procaryotae (Monera);2. Protista;3. Fungi;4. Plantae;5. Animalia.

Constituirea acestor regnuri se bazeaza pe: tipul si structura celulara, organizarea si tipul de nutritie. Regnul Procaryotae - include organisme unicelulare de tip procariot. El cuprinde bacteriile si are doua subgrupe principale: eubacterii - bacterii cu structura celulara procariota caracteristica si archaebacterii - bacterii cu structura celulara si functii atipice. Regnul Protista - contine cea mai mare parte a microorganismelor eucariote unicelulare care sunt lipsite de tesuturi. El cuprinde alge microscopice care se caracterizeaza prin celule fotosintetizante si protozoare care sunt lipsite de perete celular si se hranesc pe seama altor organisme prin ingestie. Regnul Fungi - cuprinde organisme uni- sau multicelulare si uni- sau multinucleate, de tip eucariot. Celulele eucariote prezinta perete celular, nu sunt fotosintetizante si isi dobandesc nutrientii prin absortie. El cupinde microfungi (mucagaiuri si drojdii) si macrofungi. Regnurile Plantae si Animalia nu includ microorganisme, fiind reprezentate de organisme macroscopice, multicelulare. Plantele sunt alcatuite din celule eucariote cu perete celular si sunt fotosintetizante. Celulele animalelor sunt lipsite de perete celular, iar tipul de nutritie pentru acest regn este nutritia ingestiva. Este important de retinut ca virusurile nu sunt incluse in nici o clasificare, ca o recunoastere a caracterului lor de agenti infectiosi care nu au echivalent in lumea vie. Taxonomia se ocupa cu studiul clasificarii, nomenclaturii si identificarii organismelor vii.

70

Microorganismele diferă în mod fundamental unele de altele, fiind încadrate în 3 regnuri: protista, procariotae şi vira. Regnul Protista cuprinde microorganisme a căror celule sunt evoluate, de tip eucariot, cu nucleu şi organite celulare nespecifice cum sunt reticolul endoplasmatic, ergastoplasma etc.

Figura 1 – Celula de tip eucariot

• Algele sunt microorganisme acvatice, fotosintetizante, de la dimensiuni microscopice pâna la forme gigante, pluricelulare, filamentoase. Ele nu prezintă interes medical propriu-zis, cu excepţia agar-agarului din care se obţine agarul, polizaharid care serveşte la prepararea mediilor de cultură solide.

• Mycetele sau ciupercile microscopice sunt grupate în 4 clase. Din cele 12.000 de specii, doar 100 sunt de interes medical.

Figura 2 – Mycetele

• Protozoarele sunt microorganisme unicelulare eucariote, evoluate structural şi în general mobile, asemnănându-se cu celulele animale. Cele de interes medical se încadrează în 4 clase: flagelata, rhizopoda, sporozoa şi ciliata.

are toate caracterele celulelor evoluate

nucleu

organite celulare comune

nu are perete celular

se divide prin direct sau prin mitoza

70

Figura 3 - ProtozoareleRegnul Procariote cuprinde microorganisme a căror celule sunt primitive, de tip procariot, lipsite de nucleu adevărat şi de organite celulare nespecifice, dar cu un înveliş suplimentar numit perete celular.

nu au nucleu adevãrat ci un cromozom haploid format dintr-o moleculã circularã de ADN

lipsite de organite celulare comune cu excepţia ribozomilor

au perete celular rigid

Se divid direct

Figura 3 – Celula de tip procariot

• Archaebacteriile sunt lipsite de interes pentru medicină. Ele sunt bacterii termofile, producătoare de metan.

• Eubacteriile cuprind un număr foarte mare de bacterii, dintre care cele de interes medical sunt:

• bacteriile clasice - cu forme variate şi cu perete celular,

• chlamydiile - bacterii cu parazitism intracelular obligatoriu şi care prezintă un mecanism de multiplicare unic în lumea bacteriilor,

• rickettsiile - bacterii cu habitat intracelular (cu o excepţie), dar cu diviziune directă, întâlnită la majoritatea bacteriilor,

• micoplasmele - bacterii cărora le lipseşte în mod natural peretele celular.

nu au nucleu adevãrat ci un cromozom haploid format dintr-o moleculã circularã de ADN

lipsite de organite celulare comune cu excepţia ribozomilor

au perete celular rigid

Se divid direct

70

În prezent sunt incluse în eubacterii şi cyanobacteriile sau algele albastre, care sunt microorganisme acvatice.

Regnul Vira cuprinde entităţi infecţioase de natură subcelulară care sunt virusurile şi viroizii.

• Virusurile se deosebesc fundamental de formele celulare de viaţă. Ele sunt formate dintr-un singur acid nucleic (ADN sau ARN), învelit de o capsidă proteică şi sunt parazite obligatoriu intracelulare. Virusurile sunt particule inerte în stare extracelulară dar, după ce pătrund într-o celulă vie, deviază metabolismul acesteia în scopul propriei replicări.

• Viroizii au o structură şi mai simplă, fiind alcătuiţi doar dintr-un acid nucleic cu GM mică. Unii dintre ei produc boli transmisibile la plante.

Virusurile şi viroizii alcătuiesc împreună regnul VIRA, având următoarele particularită i:ț

Entitãţi infecţioase acelulare cu parazitism obligatoriu intracelular

Acid nucleic (ADN sau ARN) şi un înveliş proteic – capsida. Uneori au un înveliş suplimentar – anvelopã.

Inerte în afara celulei gazdã

Paraziteazã celula la nivel genetic, deviazã metabolismul acesteia în scopul propriei replicãri

Figura 4 – Structura virusurilorPrionii sunt entităţi infecţioase de dimensiuni foarte mici (5nm), de natură

proteică. Până în prezent există relativ puţine date referitoare la aceşti agenţi, dar se presupune că ei ar constitui cauza unor boli degenerative ale SNC, cum sunt bolile Jacob-Creutzfeld, Kuru, scrapia oilor etc.

.

entitãţi infecţioase acelulare cu parazitism obligatoriu intracelular

un singur acid nucleic (ADN sau ARN)

Inerte în afara celulei gazdã

paraziteazã celula la nivel genetic, deviazã metabolismul acesteia în scopul propriei replicãri

70

MORFOLOGIA MICROORGANISMELOR

În acest capitol sunt prezentate notiuni despre forma si structura celulei microorganismelor, virusurilor , viroiziilor si prionilor, bacteriofagilor si ciupercilor.

DEFINITIIMicroorganismele constituie un sistem complex de organisme acelulare

și celulare, inzestrate cu un metabolism propriu si continuitate genetica, diferite camorfologie, activitate biologica si pozitie sistematica. Cu toate acestea, tuturormicroorganismelor le sunt comune cateva caracteristici: dimensiunilemicroscopice, organizarea lor monocelulară si pluricelulară, precum si structurainternă relativ simplă.

In categoria microorganismelor sunt incluse:1. virusurile – acelulare;2. bacteriile, drojdiile – monocelulare;3. mucegaiurile, algele microscopice si protozoarele – monocelulare sipluricelulare.

STRUCTURA CELULEI MICROORGANISMELORUnitatea morfologica i functionala fundamentala a materiei vii o constituieș

celula. Se cunosc două tipuri de celule: procariote si eucariote.Celula procariota este mai simplă ca organizare, fiind fără nucleu, avand

ADN dispersat in citoplasma, nedelimitat de membrana, sub forma de moleculemari de ADN spiralat sau sferic. Acest tip de celula este caracteristic bacteriilor,algelor albastre.

Tipul mai evoluat, numit eucariot, intalnit la celulele constitutive aleplantelor, ale animalelor si ale unor microorganisme – mucegaiuri, drojdii – secaracterizează prin nucleu individualizat prevazut cu membrana, care delimiteazaastfel citoplasma. In acest tip de celule, ADN-ul se afla in nucleu, unde alaturi deproteine formeaza cromozomii – corpusculi ce se formeaza in timpul diviziuniicelulare si care contin informatia ereditara specifica.

Celula*, avand forme si dimensiuni diferite, este alcatuita din treicomponente principale: citoplasma, nucleu si membrana celulara, constituindprotoplastul. Ea este inconjurata de un perete celular, format din polizaharuri,hipo- si glicoproteine, avand rol protector fata de influentele exterioare celulei, caredelimiteaza celulele intre ele si participa, alaturi de membrana citoplasmatica ladiviziunea celulara. La unele microorganisme, peretele celular este acoperit de ocapsula, de cili** sau de flageli** si de pili (fimbrii).*celula: lat. celulla- camaruta; vacuus – gol**cili, flageli – organe de locomotie

Citoplasma este un sistem coloidal complex, macro si micromolecular,alcatuit structural din citoplasma fundamentala si din organite. In compozitia eiintra ioni de substante anorganice si compusi organici, alcatuind, de fapt, materiavie.

Citoplasma fundamentală reprezinta partea nestructurata a citoplasmei sieste transparenta, elastica, in continua miscare si transformare, majoritatea

70

reactiilor biochimice din celula avand loc la nivelul acestui complex coloidal.Organitele reprezinta sisteme structurale subcelulare bine definite ca

structura, forma, specializate in activitati intra si extracelulare. Exista douacategorii de organite: comune – intalnite in toate celulele organismelor vii,indiferent de origine, reprezentate prin reticulul endoplasmatic, ribozomii (granulelelui Palade*), complexul Golgi, mitocondriile, lizozomii si centrozomul – si organitecu rol specific unor anumite celule specializate sub aspect fiziologic, biologic.*George Emil Palade – savant roman, laureat al premiului Nobelpentru medicina, descoperitorul formatiunilor mitocondrialecitoplasmatice si a rolului acestora in celula.

In citoplasma mai pot fi gasite si incluziunile celulare, formatiuni bineconturate, cu sau fara membrana, cu functii temporare compuse din picaturi degrasime, granule de proteine sau glicogen, alte substante dizolvate in apa,reprezentand substante de rezerva si vacuolele , continand substante sub formade solutii hidrice.

Reticulul endoplasmatic este o retea canelara ce brazdeaza citoplasmamultidirectional, considerat ca un sistem circulator celular deoarece are rolultransportorului de produsi celulari. Datorita reticulului endoplasmatic suprafata deschimb celular intre substantele citoplasmatice si spatiul intercelular se mareste,imbunatatindu-se astfel calitatea si randamentul acestui schimb. Totodata, reticululendoplasmatic poate sintetiza proteine, lipide si hormoni pe care celula le secretain lichidul intercelular.

Ribozomii sunt forme granulare sferice in care are loc sinteza proteinelor, fiindconstituite din ARN si proteine.

Lizozomii sunt organite sferice continand enzime digestive, avand rolul aparariicelulelor contra altor microorganisme prin digerarea (liza) acestora.

Complexul Golgi reprezinta formatiuni membranoase sub forma de pacheteasezate in teancuri, amplasate in apropierea nucleului, avand rolul sintetizarii unorsubstante celulare specifice si de transfer al acestora prin reticulul endoplasmaticin spatiul intracelular.

Mitocondriile sunt corpusculi sferici sau ovoidali, granulari, ce contin sistemeenzimatice care participa la transformarile energetice din celula, deci care producenergie celulara.

Centrozomul este un constituent celular (organit) care intervine indirect indiviziunea celulara, vizibil la microscopul electronic in vecinatatea nucleului, cudeosebire in timpul diviziunii. Impreuna cu masa citoplasmatica din jurul sauformeaza asa-numita centrosfera. In timpul diviziunii, in jurul centrosferei secontureaza filamente citoplasmatice radiale denumite aster. Centrozomul lipsestedin celulele in care nu are loc diviziunea celulara.In interiorul celulelor mai pot fi intalnite organite cu forme variabile pigmentatediferit, cunoscute sub denumirea de cromoplaste, cloroplaste, s.a., avand culorispecifice, cu deosebire in schimburile energetice si in reactiile redox si de schimbionic intra si extracelulare.

Nucleul este o formatiune protoplasmatica a celulei cu o organizaresuperioara, continand proteine si acizi nucleici (ADN, ARN), fiind responsabil detransmiterea caracterelor ereditare, in diviziunea celulara si in metabolismul

70

celular. Nucleul este bine individualizat in celulele eucariote de o membrana dublustratificata, avand pori care permit schimbul de substante intre citoplasma sinucleu si se afla de obicei asezat in centrul celulei, fara ca aceasta sa reprezinte o18regula generala. Majoritatea celulelor au un singur nucleu, dar exista si celulepolinucleare in structuri biologice superioare.

Nucleul se compune din: nucleol, carioplasma (suc nuclear) simembrana nucleara.Nucleolul este o formatiune structurala din interiorul nucleului in compozitia caruiaintra ARN si ADN, rolul sau fiind acela de formare a ARN-ului pe care-l transfera incitoplasma, transmitand acesteia informatia genetica continuta in ADN sicromozomi.Carioplasma*, sub aspect compozitional, este citoplasma continand in pluscromatina **– formata din acizi nucleici legati de proteine filamentoase, constituindsubstratul material al cromozomilor - si linina (acromatina)**.*grec. haryon – fara nucleu**grec. a – fara. Chroma- culoare; parti din nucleu care reactioneazasau nu la coloranti bazici caracteristici pentru cromozomi – W.Fleming, 1879Membrana nucleara este formata din trei straturi membranoase stratificate,traversate de pori prin care are loc schimbul de substante intre nucleu sicitoplasma.

Membrana celulara (plasmatica) este un invelis extern ce are o structuratrilaminara ca si membrana nucleara, structura care face ca ea sa aiba opermeabilitate selectiva fata de substante si determina o anumita sarcina electrica(stratul exterior are sarcina electrica pozitiva, iar cel din interiorul celulei esteelectronegativ) care imprima membranei celulare un potential electric demembrana si o anumita polaritate.

Potentialul electric de membrana este mentinut de ionii de sodiu (Na+) sipotasiu (K+) repartizati neuniform in ambele parti ale membranei (cei de potasiu segasesc preponderent pe partea interna a membranei, iar cei de sodiu sunt innumar mai mare in lichidul intercelular, dar sarcina stratului interior al membranei,din cauza unor anioni in exces, isi mentine sarcina electrica negativa).

Membrana devine un sistem bine organizat, care pe de o parte separacelula de mediul sau, iar pe de alta, prin caracteristicile de membranaultraselectiva, asigura legatura cu acesta, precum si desfasurarea normala afunctiunilor ei fiziologice in mediul in care se dezvolta. Permeabilitatea membraneipentru ionii de sodiu creste de peste 500 de ori, devenind preponderenta celei aionilor de potasiu. Se produce astfel o inversiune a sarcinilor electrice ale celordoua straturi – intern si extern – ale membranei celulare, cunoscuta subdenumirea de depolarizare, stare ce permite schimbul material si energetic intrecelula si exterior prin deplasarea unor compusi ionici chiar impotriva gradientuluide concentratie. Mecanismul transportului ionic-imaginativ, asemanator pompariilichidelor, se face prin consum.

70

BACTERIOLOGIE

FORME DE EXISTEN ĂȚ ALE BACTERIILORAcest capitol cuprinde:

• definitia, morfologia, structurile externe ale bacteriilor;• sporogeneza bacteriilor;• fiziologia, biochimia si metabolismul bacterian;• elemente si notiuni introductive de genetica bacteriana

Bacteriile sunt microorganisme unicelulare de tip procariot care sereproduc asexuat prin diviziune directa (sciziune). Ritmul de diviziune este de 10 –12 minute. Ele sunt organisme răspândite in natura, oriunde exista conditii minimede viata.

In functie de modul de procurare al substantelor nutritive, bacteriile suntautotrofe – cele care isi pot sintetiza din surse anorganice metabolitii esentiali siheterotrofe – acelea care trăiesc pe seama unor gazde vii de la care isi procurasubstantele necesare. Majoritatea bacteriilor patogene ce produc imbolnaviri suntheterotrofe.

MORFOLOGIA BACTERIILORMorfologia propriu-zisă a bacteriilor se referă la: forma celulei, dispozi iaț

spatială sau forma de existen ăț , dimensiunile i afinitatea tinctoriala.șPrincipalele forme celulare ale bacteriilor sunt: sferica, cilindrica si curba

- spiralata.

• cocii sunt bacterii rotunde, aşezate în grămezi (genul Staphylococcus), ovalare, aşezate în lanţuri (genul Streptococcus), lanceolate, dispuse în diplo ca două flăcări de lumânare, (specia Streptococcus pneumoniae) şi reniforme dispuse ca două boabe de cafea ce se privesc faţă în faţă (genul Neisseria) cu Ø de 0,8 - 1µ;

• bacilii sunt bacterii cu formă alungită de bastonaş cu dimensiuni între 1,5 - 10µ.

• cocobacilii sunt forme intermediare între coci şi bacili (Yersinia pestis, Bordetella pertussis, Haemophilus influenzae);

• vibrionii sunt bacterii încurbate în formă de virgulă (Vibrio cholerae);

• spirilii sunt bacterii spiralate cu 1-2 spire rigide (Spirillum volutans);

• spirochetele sunt bacterii spiralate cu corpul flexibil şi 12-20 de spire (Treponema pallidum), foarte multe spire strânse (Leptospira) sau 2-3 spire (Borrelia):

actinomicetele sunt bacterii foarte asemănătoare fungilor şi formează filamente sau hife lungi şi ramificate care se rup, rezultând forme bacilare (Actinomyces).

Forma sferica se referă la coci. Daca celulele formate prin diviziune sesepara si raman independente se numesc micrococcus; cand cocii sunt grupa ițperechi sunt denumiti diplococcus; daca ei sunt dispusi in lant se numescstreptococcus; dispunerea pe doua planuri perpendiculare a cocilor aredenumirea de tetrade, iar structura de ciorchine (grupuri neregulate) estedenumita staphylococcus.

Forma cilindrică – alungita, de bastona – poate exista in doua forme sișanume: vegetativă – care reprezinta starea de viata activa a celulei cu toate

70

funcțiile normale, si sporulată – forma de rezistenta, de autoconservare, pana seindeplinesc conditiile normale de transformare a sporului in forma vegetativa.

Figura 1 – Forma şi dimensiunile bacteriilor

Sporul este o forma iune ț endocelulara (in interiorul celulei) care se formeaza pentru prezervarea celulei un timp mai indelungat. Bacteriile izolateasporulate (nesporulate) sunt denumite bacterium, iar cele sporulate senumesc bacillus. Ambele tipuri de bacterii pot fi dispuse spatial in lant, caz in carese numesc streptobacterii in palisada (ca scandurile gardului), dar mai pot fi sialte aranjamente spatiale.

Bacteriile spiralate au corpul format dintr-o jumatate de spira – ca semnulvirgulei – si se numesc vibrioni (vibrio), sau din mai multe spire – spirochete(spirochet) nedeformabile – ex: genul Leptospira – si deformabile – ex: genulBorrelia.

In afara acestor 3 forme majore de bacterii, mai exista si unele mai rarintalnite in special la germenii saprofiti: forma patrata, elipsoidala denumirea fiindcea de cocobacil, fusiforma, etc.

70

Figura 2 – Aşezarea cocilorDimensiunea diametrului cocilor variaza intre 1 – 5 micrometri, iar bacilii au

lungimea de 0,5 – 10 micrometri si diametrul între 0,3 si 0,5 micrometri, eiputandu-se clasifica in: scurti, in lungime medie de 2 micrometri si lungi, la carelungimea este de aproximativ 10 micrometri.

STRUCTURI EXTERNE ALE BACTERIILOR (Structura extraparietală)

Unele bacterii au la exteriorul peretelui celular o structură complexă, carefavorizează aderenta acestora la alte structuri sau mobilitatea celulelor.

Figura 3– Structura celulei bacteriene

70

STRUCTURI CELULARE OBLIGATORII

Peretele celular este o componentă celulară obligatorie care înconjoară membrana citoplasmatică, peretele celular este o structură rigidă, specifică bacteriilor.

Figura 4 – Structura peretelui celular

Acesta este format dintr-un strat bazal sau peptidoglican, asemănător la toate

bacteriile şi un strat al structurilor superficiale, foarte diferenţiat, în funcţie de care bacteriile manifestă caractere tinctoriale diferite: bacterii Gram - pozitive, Gram - negative şi acido-alcoolorezistente.

Peptidoglicanul sau mureina este structura chimică responsabilă de rigiditatea peretelui celular şi care asigură forma şi rezistenţa mecanică a bacteriei. Prezent la toate bacteriile, el constă dintr-un schelet, format din molecule lungi paralele polizaharidice de N-acetil-glucozamină şi acid N-acetil-muramic. Moleculele de acid N-acetil-muramic din lanţurile vecine sunt legate între ele prin punţi polipeptidice, transversale.

La bacteriile Gram - pozitive, peptidoglicanul are o grosime de 15-30 nm şi conţine până la 200 de lanţuri paralele de mureină.

Stratul structurilor speciale este redus şi alcătuit din polimeri hidrosolubili care sunt acizii theicoici. Ei reprezintă antigenele de supafaţă ale bacteriilor gram-pozitive.

Peretele celular al bacteriilor gram-pozitive este sensibil la acţiunea lizozimului care rupe legăturile dintre acidul N-acetil muramic şi N-acetilglucozamină.

La bacteriile Gram-negative, peptidoglicanul are o grosime de 4-5nm. Stratul superficial este însă mult mai complex decât la bacteriile gram - pozitive fiind alcătuit dintr-o membrană externă, lipoproteine şi lipopolizaharidul de perete.

70

Figura 5 – Structura peptidoglicanului

Membrana externă este formată dintr-un strat dublu fosfolipoproteic ce cuprinde o cantitate foarte mare de molecule proteice. Membrana externă se leagă de protoplast prin intermediul unei lipoproteine din membrana externă.

Deasupra membranei externe a bacililor Gram-negativi se află lipopolizaharidul de perete (LPZ) sau endotoxina bacililor Gram-negativi. Aceasta este alcătuită din:

• lipidul A care are o structură particulară, fiind format din unităţi dizaharidice de glucozamină, legate de beta-hidroxiacizi graşi cu 10-16 atomi de carbon fixaţi direct de membrana externă,

• miezul sau “core”, numit şi antigen R, comun tuturor bacteriilor gram – negative,

• unităţi monozaharidice repetitive (15-40) care sunt specifice de specie şi tip şi constituie antigenul O al bacteriilor gram-negative.

LPZ este o toxină termolabilă, care se eliberează în mediul înconjurător de către bacteriile gram-negative numai după liza lor şi foarte reactivă în organismul gazdă. Astfel, lipidul A produce febră, activează mecanismele apărării antiinfecţioase şi în exces produce şocul endotoxic cu evoluţie gravă, chiar fatală.

Spaţiul periplasmic. Sistemul structural dublu al peretelui celular la bacteriile gram-negative creează un compartiment ce se întinde de la membrana celulară până la membrana externă, numit spaţiu periplasmic. El conţine peptidoglicanul şi un gel care favorizează nutriţia bacteriei prin conţinutul în enzime degradative ca, de pildă, fosfataze, nucleaze, proteaze etc. Tot aici sunt prezente enzimele de inactivare ale unor antibiotice cum sunt beta-lactamazele şi cefalosporinazele.

Bacteriile acido-alcoolorezistente de interes medical sunt bacilul tuberculos şi bacilul leprei. Peretele celular se aseamănă cu cel al bacteriilor gram-pozitive, dar structurile speciale conţin acid micolic şi o ceară, ce conferă acestor bacterii caractere

70

tinctoriale deosebite şi rezistenţă crescută la factorii de mediu. Acestea se colorează la cald prin tehnica Ziehl-Neelsen.

Funcţiile peretelui celular:

• asigură forma, rezistenţa mecanică şi osmotică a bacteriei;

• reglează traficul molecular de perete în ambele sensuri

• este sediul antigenelor de suprafaţă

• este sediul unor factori de patogenitate;

• are rol în diviziunea bacteriană şi în procesul de sporulare.

Membrana citoplasmatică

Figura 6 – Structura membranei citoplasmatice

Este o membrană fină (6,5-7nm), elastică, lipsită de rezistenţă mecanică. Pe secţiune apare trilaminată, fiind alcătuită din două straturi fosfolipidice dispuse cu părţile hidrofobe faţă în faţă. Printre moleculele fosfolipidice se găsesc molecule proteice, situate fie la nivelul unuia dintre cele două straturi fosfolipidice, fie le traversează fiind expuse la ambele feţe ale membranei.

Mezozomii. Sunt structuri membranare care se formează prin invaginarea membranei citoplasmatice sub formă de buzunar, prezente la bacteriile gram - pozitive şi ocazional la cele gram - negative. Ei sunt în contact direct cu materialul nuclear fiind implicaţi în diviziunea cromozomului.

Funcţiile membranei citoplasmatice:

• este o membrană cu permeabilitate selectivă, îndeplinind funcţia de barieră osmotică ce reglează schimburile celulei bacteriene, în ambele sensuri cu mediul înconjurător.

• secretă enzime hidrolitice în mediul înconjurător unde scindează substratul nutritiv în unităţi absorbabile,

• îndeplineşte rolul mitocondriilor de la celulele eucariote, fiind centrul energogenezei celulare,

• este sediul sintezei acizilor graşi, a fosfolipidelor,

70

• este implicată în sinteza peretelui celular, al polizaharidelor capsulare, participând activ la creşterea şi diviziunea celulei bacteriene şi la formarea sporului bacterian.

STRUCTURILE EXTERNE CONSIDERATE STRUCTURI FACULTATIVE sunt capsula, flagelii i pilii, aflati in afara inveli ului bacterian.ș ș

Capsula, stratul ce acoperă celula, este de natura mucopoliglucidica saumucoproteica. Stratul mucilaginos care poate ajunge la grosimi de 2 micrometriimprima bacteriilor proprietati de aderenta si rezistenta la factori chimici si fizici(antibiotice si lipsa de apa). Capsula reprezinta uneori, din cauza rezistentei la agentii fizico-chimici si biologici, un factor de patogenitate si de specificitate antigenica.

Capsula este un înveliş compact, intim legat de celula bacteriană, vizibilă pe preparatele uzuale sub forma unui halou clar ce înconjoară bacteria.

Din punct de vedere chimic, capsula tuturor bacteriilor de interes medical este de natură polizaharidică (Streptococcus pneuomoniae, Klebsiella etc.) cu excepţia capsulei bacilului cărbunos care este polipeptidică.

Capsula are rol în rezistenţa bacteriilor faţă de fagocitoză, fiind astfel un factor de virulenţă. Variantele necapsulate ale aceloraşi specii sunt nepatogene. De exemplu, Streptococcus pneumonie, de tip S, capsulat, produce la şoarecele alb de laborator o septicemie mortală, pe când varinata necapsulată nu este patogenă.

Capsula este o structură cu proprietăţi antigenice specifice (antigenele K) care permit diferenţierea unor serotipuri în cadrul speciei.

Microcapsula este o structură discretă cu o grosime sub 0,2µm care nu se evidenţiază la microscopul optic, ci numai prin metode imunologice sau electronomicroscopice (Neisseria gonorrhoeae). Ea constituie un factor de virulenţă.

Stratul mucos, glicocalixul este un strat amorf şi vâscos ce înveleşte bacteria. El este format din lanţuri lungi de polizaharide, cum sunt levanii şi dextranii, cu rol major în adezivitatea bacteriilor de suprafeţe. Astfel, de pildă, Streptococcus mutans produce cantităţi mari de dextran şi levan prin intermediul cărora se ataşează de suprafaţa dinţiilor contribuind la formarea cariilor şi a plăcii dentare.

Funcţiile capsulei:

• este un factor de aderenţă şi colonizare a bacteriile pe suprafeţe;

• protejează bacteriile de diferiţi agenţi antibacterieni din mediu cum sunt: bacteriofagii, colicinele, complementul, lizozimul sau alte enzime bacteriolitice;

• protejează bacteriile de acţiunea fagocitelor, fiind deci un factor de virulenţă;

• reprezintă sediul antigenelor capsulare, importante în identificarea acestor bacterii.

Cilii sau flagelii bacterieni

Sunt apendici filamentoşi ai speciilor bacteriene mobile, cu originea în citoplasma bacteriană, şi servesc ca organe de locomoţie. Ei sunt prezenţi mai ales la bacili. Dispoziţia şi numărul cililor sunt caracteristice speciei. S-au descris bacterii atriche (fără cili), monotriche - cu un cil polar (Vibro cholerae), lofotriche - cu un smoc de cili situat la unul din polii bacteriei - (Pseudomonas fluorescens), amfitriche - cu cilii situaţi la ambii poli ai bacteriei (la genul Spirillum) şi peritriche - cu cilii dispuşi pe întreaga suprafaţă a bacteriei (Salmonella, E. coli, Proteus etc.).

70

Figura 7 – Cilii bacterieni

Pilii bacterieni

Numeroase specii bacteriene gram-negative au pe suprafaţa lor lor nişte apendici filamentoşi, rigizi, mai scurţi decât flagelii, în număr mare (100-500/celulă) şi cu dispoziţie în general peritrichă. Ei se evidenţiază numai prin microscopie electronică.Din punct de vedere funcţional, pilii se împart în:

• sex pili codificaţi plasmidic şi care au rol în transferul de material genetic între bacterii. Sunt prezenţi mai ales la bacteriile gram-negative (Enterobacteriaceae, Pseudomonas),

• pili comuni sau pili de aderenţă (fimbrii), în număr mare, codificaţi cromozomial, şi care servesc bacteriilor la fixarea fermă de mediul de cultură sau de celulele pe care se află. Ei constituie, deci, un factor important de virulenţă. În afară de aderenţă, pilii comuni mai au şi proprietăţi antifagocitare.

Flagelii sunt formatiuni filamentoase prezente la unele bacterii, denumite mobile,ca organe de locomotie. Unele bacterii au un singur flagel sau un manunchi deflageli polarizat la un capat al celulei, la altele flagelii sunt amplasati pe intreagasuprafata a celulei in numar foarte mare (de ordinul 100 si 1000), iar lungimea lorpoate atinge si 20 de micrometri, caz in care sunt cunoscuti sub numele de cili.Cel mai adesea nu există simultan cili si flageli.

Ca structura, flagelii sunt alcatuiti dintr-o proteina specifica, cu structurăhelicoidală denumită flagelină. Ca urmare a structurii helicoidale i a specificitatii,șflagelina este contractilă, fixându-se în spatiul periplasmic cu ajutorul unorformatiuni denumite cârlig i discuri.ș

Flagelii se pot roti cu 40-60 de rotatii pe secunda in ambele sensuri derotire (dreapta, stanga), imprimand datorita structurii helicoidale o miscare dedeplasare a celulei bacteriene cu viteze de 2 pana la 100 de ori mai mare calungimea celulei intr-o singura secunda (spre comparare, campionul mondial la100 m plat este de numai 5-6 ori mai rapid in raport cu inaltimea sa). Celulelemobile cu un singur flagel sunt numite monotriche, cele cu doi flageli, amfitriche,multiflagelate polare, lofotriche, iar ciliatele peritriche.

Pilii sunt structuri proteice care acopera complet suprafata bacteriilor; pilii

70

comuni, au rol de aderenta bacteriana; altii sunt implicati in conjugarea bacterianapermitand trecerea materialului genetic de la o bacterie la alta, fiind cunoscuti capili sexuali (Factor F).

Pilii comuni – numiti si fimbrii, sunt apendici filamentari rigizi, ce nufolosesc la deplasare, cu lungimi de aproximativ 1 micrometru si diametrul decirca 3 nanometri; sunt compusi dintr-un singur tip de proteina cu molecula informa de filament helicoidal. Pe acesti pili exista receptori ce recunosc numaianumite structuri din organism si, prin aceasta, intervin in patogenitate, avandspecificitate imuno-patogenica.

70

FIZIOLOGIA, BIOCHIMIA SI METABOLISMUL BACTERIAN

Bacteriile se caracterizeaza printr-o mare complexitate metabolica sicapacitate de adaptare, fiind raspandite peste tot in natura datorita posibilitatilorde a-si schimba metabolismul in functie de conditiile in care se gasesc, iar dacaacestea lipsesc, ele construiesc forme rezistente ce le asigura o viata latentachiar si pentru perioade masurate in sute de ani.

Pentru a intelege fiziologia si metabolismul bacterian, in cele ce urmeazava fi discutata compozitia chimica si rolul compusilor chimici in fiziologiabacteriana.Compoziția chimică a bacteriilor

Dupa cum se stie, toate vietuitoarele, deci si bacteriile, contin in celula apa,proteine, glucide, lipide, minerale, enzime, vitamine si alte substantespecifice.

Apa reprezintă 70-80% din masa celulara si se gaseste sub doua forme:apa libera si apa legata de compusii moleculari ai celulei bacteriene. Eaconstituie un mediu propice dispersarii componentelor celulare si participa lareactiile biochimice din metabolismul bacterian. Metabolismul – schimbul desubstante chimice dintre celule si mediu - nu poate avea loc decat in solutiiadevarate sau coloidale. Continutul de apa al celulelor permite reglarea presiuniiosmotice celulare si utilizarea substantelor chimice la nivel atomic si molecularprin dilutii, disocieri si polarizari. Prezenta apei in celula imprima acesteiamobilitatea structurala, schimbarea formei si elasticitatea necesara adaptarii lamedii diferite. Între formele vegetativă si sporulată există diferen e ale conț ținutuluide apa, cu deosebire a apei libere, sporii având doar 15-20% apa sub forma deapă legata.

Proteinele participa cu o pondere de 30-80% in masa uscata a celuleibacteriene, la structura careia participa mai mult de 23 aminoacizi, dintre care uniispecifici doar bacteriilor, cum sunt: Diaminopimelic, Aminopimelic, Theicoic,sau izomerii seriei D ai Alaninei si Acidului glutamic. Proteinele se gasescsub forma de aminoacizi, peptide simple sau polipeptide sau participa ca proteinecomplexe (heteroproteine).

Heteroproteinele prezinta cea mai mare importanta pentru fiziologiacelulara bacteriana datorita posibilitatii acestora de a realiza multiple combinatiibiochimice complexe in functie de necesitatile fiziologice. Se vor intalni astfelcombinatii binare sau polinomiale glucido-lipido-polipeptidice cum suntmucoproteinele, cromoproteinele, acizii nucleici, enzimele, s.a.

Rolul proteinelor in celula bacteriana este ,de asemenea, complex sivizeaza atat constructia celulara propriu-zisa (rol plastic), cat si transmitereacaracterelor genetice( energetic, antigenic, patogenic, enzimatic) etc.

Enzimele sunt derivati proteici avand rol biocatalitic; se formeaza incelulele bacterie influentand desfasurarea reactiilor intracelulare (de exemplumitocondriale) si extracelulare (cu rol antigenic, patogenic) sau ectocelulare(avand rol in permeabilitatea selectiva). Avand o specificitate de substrat, de grupsi sterica, enzimele din zestrea celulei bacteriene – cca. 2000 – fac parte din toateclasele de enzime*: oxidoreductaze, hidrolaze, transferaze, liaze, izomeraze,

70

ligaze.Enzimele pot aparea in fiziologia si metabolismul bacteriilor prin inductie,

ele numindu-se enzime inductive, existand numai la comanda si in prezentainductorilor specifici sau ca o zestre celulara, acestea fiind cunoscute sub numelede enzime constitutive.

Glucidele reprezintă 15-20% din masa substantei uscate a bacteriilor, incompozitia acesteia fiind cuprinse toate tipurile de glucide: omogene sauneomogene, simple si complexe. Ele sunt foarte importante pentru bacteriileanaerobe pentru care constituie singura sursa de nutritie. Rolul glucidelor in celulabacteriana este plurivalent si anume: energetic, structural, antigenic, patogenicsau de rezistenta celulara, etc. Este evident ca ele prezinta importanta capitala casursa de energie si ca substanta plastica ce intra in constitutia cvasitotalitara atuturor partilor morfologice celulare. O caracteristică specifica bacteriilor Gram-pozitiveeste prezenta complexului poliglucidic neomogen – mureina.

Lipidele din bacterii variaza in limite foarte largi in raport cu speciamicroorganismelor, dar si cu conditiile de mediu (metaboliti, substrat etc.) saustadiul de maturitate. In general, continutul de lipide este de 2-14% din substantauscata celulara, dar unele mycobacterii (Mycobacterium tuberculosis Koch)au simai mult(30%).

Lipidele bacterine sunt omogene (acizi grasi, gliceride, ceruri)si complexe (fosfolipide, lipoproteine, lipogliceni, etc.). Ceea ce-i specificbacteriilor este prezenta in celulele lor, in peretele mycobacteriilor, a acizilor grasimicoici (ac. Tuberculostearic , ac. Dicolipenic , ac. Micocerosic ) componenti aicerurilor. Pentru bacterii este caracteristica lipsa steridelor (esteri ai alcoolilorpoliciclici numiti steroli). Totusi in Azobacter chroococcum, fixator de azot, s-a gasitun sterol (Schifferd, Anderson, 1936) cu structura neprecizata.

Rolul lipidelor este divers, dar functiile energetice si de permeabilitate par afi preponderente in fiziologia celulara bacteriana. Lipidele complexe, cum suntfosfatidele, contin elemente structurale atat hidrofile, cat si lipofile, astfel casolutiile lor apoase, de natura coloidala, joaca un rol important in reglareapermeabilitatii celulare. Fosfatidele pot absorbi glucide si protide, care pot fieliberate dupa nevoie, prin desorbtie. In acest fel, ele pot functiona si catransportori de substante in celulele bacteriene, iar alaturi de acizii ribonucleici aurol in biosinteza proteinelor.

Continutul de substante minerale reprezinta 3-30% din substanta uscata abacteriilor, acesta variind in functie de specie si de varsta. Rolul substantelorminerale rezida in primul rand din faptul ca formarea compusilor la nivel molecularse face sub forma unor complecsi ce contin obligatoriu elemente minerale subforma ionica. Acestia (de ex. Ca, Mg) intra in structurile celulare, deci au rolplastic, ori activeaza sistemele enzimatice (citocromoxidazele cu fier), participa laformarea si transformarile acizilor nucleici (fosforul), regleaza presiunea osmoticacelulara si permeabilitatea celulara (sodiul, potasiul, sulful), precum si potentialulde oxido-reducere la nivelul celular, etc.

Oligo si microelementele minerale, caracterizate prin reactivitate chimica ori labilitate electronica ridicate, sunt prezente frecvent in celulele bacteriene (de ex. K, Na, Fe, Ca, Mg, S, Cu s.a.).

70

Pentru organismul uman, bacteriile sunt o bogata sursa de vitamine, deoarece ele sunt capabile sa sintetizeze aceasta categorie de substante, cu deosebire vitaminele hidrosolubile din grupul B. Astfel, vitamina B1 (tiamina) este sintetizata de bacterii in oxidarile intracelulare si metabolismul glucidelor, ca de altfel si vitaminele B2

(riboflavina) si B3 (vitamina PP), vitamina B4 (adenina) ce participă in calitate de cofactor in reactiile nucleatidelor.

Acidul folic (vitamina B9) este cunoscut ca un factor de crestere pentru maimulte specii de bacterii (B.subtilis, Lactobacillus sp. etc.) fiind cofactor necesarbiosintezei compusilor purinici. Cresterea unor microorganisme bacteriene, ca deexemplu Lactobacillus lactis Dorner, nu ar fi posibila fara prezenta vitaminei B12

(ciancobalamina). Vitamina H, acidul para amino benzoic, este denumit si“vitamina vietii bacteriilor”, deoarece reprezinta pentru acestea un metabolit primarabsolut necesar vietii si inmultirii lor ,fiind si un factor de crestere.

În functie de specie, bacteriile pot sintetiza pigmenti, ce se intalnesc incelulă (bacterii cromofore), legati endocelular de perete, ca in cazul stafilococilor(bacterii paracromofore) sau la exteriorul celulei bacteriene, ca la Pseudomonas,bacteriile din aceasta grupa fiind numite cromopare.

Pigmentii pot fi sintetizati pentru un anumit scop (de protectie, ca deexemplu carotenoizii, pentru functia de coenzima in sistemele transmitatoare deelectroni si de fosforilare oxidativa, de structura, pentru elementele functionale alemitocondriilor*, ca factor de crestere pentru unele bacterii) sau pot rezulta dinprocesele catabolice.* mitos – fir; chondros – graunte; mitocondrie – organit subcelular incare se regaseste sediul fosfonilarii oxidative, absenta la procariote

Bacteriile mai pot avea o serie de substante cu rol bactericid saubacteriostatic asupra altor specii sau chiar impotriva propriei specii (substantepurtand numele de bacteriocine).

METABOLISMUL BACTERIAN

Metabolismul reprezinta totalitatea proceselor biochimice intracelulare princare substratul nutritiv este transformat in energie si compusi celulari.

Metabolismul bacterian este de doua tipuri si anume metabolismenergetic, prin care se asigura respiratia bacteriana in reactii catabolice dedegradare cu eliberare de energie si metabolism de sinteza care asigur, prinreactii anabolice si catabolice, sinteza componentelor celulei bacteriene.

Sursele de energie ale metabolismului energetic pot fi lumina in cazulbacteriilor fotosintetizante si reactiile biochimice de oxido-reducere la bacteriilechimio-sintetizante.

Energia poate fi eliberata prin procese de oxidare aeroba, in careintervine oxigenul ce se fixeaza pe substrat si anaeroba, prin procesul depierdere a hidrogenului, in absenta oxigenului, care este , de asemenea, unfenomen de oxidare in care se pierd unul sau mai multi electroni (sau sarcinielectrice negative) ce sunt acceptati de alta substanta. In ambele situatii se poatediscuta despre o respiratie bacteriana oxibiotica (aeroba) si anoxobiotica(anaeroba). Interventia directa a oxigenului in respiratia aeroba elibereaza din

70

substrat o cantitate insemnata de energie (de exemplu, prin oxidarea completa aglucozei de catre bacterii aerobe se obtin in final aproximativ 100 calorii/mol).

Germenii anaerobi isi procura energia necesara activitatii lor metabolice prinprocese fermentative, in absenta oxigenului, mai ales pe seama glucidelor. Inacest caz eliberarea de energie este mai mica, iar descompunerea glucozei seopreste la stadiul de acid piruvic, alcooli sau acid lactic, cantitatea de energie fiindde aproximativ 50 ml/mol. Descompunerea anaeroba a glucozei are loc intr-unproces de fermentatie in care intervin compusii macroenergici* (superenergetici) aifosforului (ADP, ATP, DNP etc), proces ce decurge in 11 etape succesive (dupaMezerhof-Emden) ce vor fi abordate la microbiologia speciala.* makros – mare; ergos - actiune

Bacteriile folosesc pentru respiratia lor cantitati diferite de oxidanti, astfelca, in functie de potentialul lor de redox**, ele pot fi clasificate in: strict aerobe –cuprinzand bacteriile care folosesc ca sursa energetica O2, motiv pentru caredispun de toate enzimele lantului respirator, catalaza si perozidaza (M.tuberculosis); strict anaerobe – ce nu supravietuiesc in prezenta oxigenului,folosesc enzime de tip nicotinic si flavinic si nu au peroxidaza si catalaza; aerobe– ce traiesc la un potential redox mai mic, au cantitati mici de peroxidaza si se potadapta ambelor tipuri de respiratie; acest tip de respiratie este adoptat demajoritatea bacteriilor; anaerobe microaerofile - care contin in cantitati micicatalaze si suporta unitati reduse de oxigen molecular.** potentialul de oxido-reducere este diferenta de potential dintre unelectrod inatacabil (platina, aur, carbune) si un sistem de oxidoreducere– care elibereaza electroni.

Metabolismul de sinteza reprezinta totalitatea proceselor metabolice cuconsum de energie care duc la sinteza unor produse necesare cresterii simultiplicarii bacteriilor. In functie de modul de procurare a acestor substante, pot fideosebite 3 tipuri de bacterii: autotrofe* - care isi procura carbonul si aportul dinsubstante anorganice (CO2, NH3-, NO3-); heterotrofe* - la care sursele de C si Nprovin din surse organice i isi pot sintetiza singure metabolitii esentiali; ș paratrofe*- ce se dezvolta doar intracelular si nu isi pot sintetiza singure metabolitii esentiali.*gr. autos – insusi; trephein – a hrani; heteros – altul; para – alaturi.

CRESTEREA, MULTIPLICAREA SI MOARTEA BACTERIILOR

Bacteriile sunt niste fiinte vii si, astfel, ele cresc, se inmultesc si mor. Acestproces complex nu se refera numai la indivizi, ci si la populatia bacteriana intotalitate. In primul caz biologia cresterii si dezvoltarii este dirijata ereditar, in cel deal doilea aceste fenomene depind cu precadere de conditiile de mediu.

Creșterea individului bacterian se caracterizeaza prin adaugarea deprotoplasma, ca rezultanta a fenomenelor predominant anabolice in raport cu celecatabolice si are ca efect o crestere a suprafetei si a volumului sau. Intre acestedoua caractere exista un raport strans corelat cu etapa de dezvoltare in care seafla bacteria: pe masura ce bacteria creste, se mareste si volumul sau, in timp cesuprafata sa devine proportional mai mica (ipoteza Leuckart – Spencer). Candacest raport creste in favoarea volumului, celula bacteriana tinde sa se divida, sa

70

se multiplice. Cum aparatul nuclear este activ mai ales in momentul diviziuniicelulei, volumul bacteriei creste semnificativ in perioada in care aparatul nucleareste in repaus.

Raportul volum/suprafata al bacteriei se schimba in favoareasuprafetei odata ce diviziunea a luat sfarsit, dupa care se pregateste un nou ciclude crestere.

Multiplicarea bacteriilor inseamna cresterea numarului de indivizi intr-unmediu de viata favorabil si se realizeaza prin diviziune. Populatia care rezulta prindiviziunea bacteriilor creste in progresie geometrica cu ratia 2, timpul necesarpentru dublarea populaţiei numindu-se timp de dublare sau timp de generatie. Inraport cu specia bacteriana, multiplicarea atinge un maximum de populatie care sepoate mentine o perioada oarecare dupa care incepe declinul ei. Multiplicarea sepetrece in faze succesive. Acestea sunt:

faza de lag* sau faza de ajustare, ce se caracterizeaza prin diminuareanumarului de indivizi care constituie inoculul, prin cresterea dimensiunilorgermenilor viabili.*engl. Lag – intarziere, captusire

Este o faza de acomodare a germenilor la noile conditii de viata. Durata de lageste, in general, apreciata pentru bacterii la aproximativ 2 ore, dar ea este infunctie de specia bacteriana, cantitatea initiala de inocul si conditiile de mediu. Deexemplu, bacteriile termofile si Escherichia coli au o faza de lag scurta (15-20minute), in timp ce Mycobacterium are una mai lunga. In faza de lag cantitatea deN-total, P-organic, ARN si O2 consumat cresc.

faza logaritmica (exponentiala) de multiplicare este o faza de crestererapida, in progresie geometrica, a bacteriilor si se caracterizeaza printr-o serie demanifestari cunoscute sub numele de “tinerete fiziologica"; microorganismele suntmai permeabile si mai sensibile la factorii de mediu. Faza dureaza in medie 2-3ore (M. tuberculosis). Curba de multiplicare evolueaza exponential pana inmomentul in care una din substantele nutritive din mediu este consumata, iar inmediu se acumuleaza metaboliti toxici. Metabolitii consumati si produsi in mediuse numesc factori limitanti. In timpul acestei faze caracterele morfologice alebacteriilor se omogenizeaza, activitatea si echipamentul enzimatic sunt mai binedezvoltate, proprietatile biochimice si de metabolism se manifesta la parametriioptimi, rezistenta germenilor la agentii fizici, chimici si biologici devinecaracteristica speciei.

faza stationara caracterizata prin faptul ca raportul dintre germenii carese divid si cei care mor ramane relativ constant, astfel incat numarul bacteriilor sestabilizeaza. Faza de stationare este denumita si faza de concentratie “M”,deoarece in aceasta etapă popula ia bacteriană atinge un maximum in culturăț .

faza de declin (faza de moarte logaritmica) este etapa in care numarulgermenilor morti intrece numarul germenilor vii, deoarece consumarea substratuluinutritiv si acumularea de metaboliti toxici duc la moartea majoritatii bacteriilor, iartimpul de generatie creste la cateve zile; celulele vii imbatranesc, nu-si maipastreaza caracteristicile, speciile patogene isi pierd patogenitatea si virulenta. Inaceasta faza apar tendintele de sporulare. Ea nu este valabila in cazul culturilorbacteriene continue, caracterizate prin reinnoirea continua a substratului nutritiv si

70

prin recoltarea de asemena continua a germenilor in faza exponentiala. Culturilecontinue se fac in scopuri productive i prezintă o deosebita importanta industriala,șbiotehnologica in domenii de activitate de mare importanta economica si sociala.In fapt, cultura bacteriana este rezultatul inmultirii, cresterii numarului degermeni, intr-un mediu favorabil formandu-se o populatie avand caractereasemanatoare. Aspectul culturii bacteriene depinde de specia, varsta indivizilorprecum si de mediul de cultura.

Mediile de cultura bacteriana pot fi: artificiale,create in scopul asigurarii tuturor conditiilor pentru dezvoltarea si multiplicareaindivizilor si naturale (vii), avand provenienta animala (ou embrionat, animale deexperienta, tesuturi animale, culturi celulare, sange etc.) si vegetala (culturicelulare, meristeme, parti din plante s.a.). Culturile bacteriene pot fi studiate invitro – pe medii de cultura artificiale sau in vivo – direct pe mediile naturale, maiales pentru germenii patogeni.

Culturile bacteriene se dezvolta pe medii artificiale lichide si solide. Primeledetermina aparitia dupa o perioada de 18-20 ore a unei turbiditati (tulbureli) cepoate fi omogena, datorata germenilor de varsta tanara, cu vigoare ridicata caredisperseaza uniform si rapid in mediu, denumita culturi S (smooth – netede) sauneomogena, cu grade de turbiditate diferite si uneori chiar limpezi dar cu depuneripe vasele de cultura sau valuri de suprafata, purtand denumirea de culturi R(rough – rugoase).

Culturile de medii solide sunt obtinute prin insamantarea germenilorbacterieni rezultati din multiplicarea unei singure celule bacteriene si se numesccolonii de culturi pure sau culturi clonare. Colonia bacteriana reprezintă culturapură apărută după un timp de multiplicare de 2 - 6 ore, în care, din punct devedere genetic, indivizii sunt identici.

Dupa aspect, coloniile pot avea o forma geometrica regulata sauneregulata, conturate sau difuze, colorate sau necolorate, lucioase sau rugoase,limpezi, opace sau semimate, cu sau fara caracteristici specifice speciei.

Coloniile - S au aspect lucios, cu margini conturate, forma rotunda sauovoidala, diametru 1-2 mm, consistenta onctuoasa.

Coloniile - R au suprafata aspra, forme cu margini neregulate, crenelate,uneori difuze in mediul de cultura, in general colorate si mate.

Coloniile - M sunt variante ale tipului S dar contin germeni cu capsula siau o consistenta gelatinoasa sau mucilaginoasa, prezentand tendinta de a difuzain mediu sau de jonctiune intre ele.

Coloniile - G sunt colonii pitice obtinute din germeni normali dar afectati deinterventii exterioare (ex. antibiotice, antiseptice, carente nutritionale, etc.).

Coloniile bacteriene se deosebesc intre ele prin anumite caracteristici decultura, care, singure sau impreuna, constituie criterii de departajare. Astfel,diametrul coloniei bacteriene imparte coloniile in mari – cele care au diametrul maimare de 2 mm, mijlocii si mici – coloniile cu diametrul sub 1 mm. O altacaracteristica este transparenta coloniilor. Sub acest aspect exista coloniitranslucide, ca cele date de streptococi si opace, caracteristice, in general,coloniilor de stafilococi. In functie de proprietatea de a produce pigmenti, bacteriilepot fi pigmentogene (cromogene), daca produc pigmenti, caz in care: a)se

70

coloreaza doar colonia (cazul bacteriilor cromofore si paracromofore) – deexemplu coloniile stafilococice colorate in alb, galben, auriu si b) se coloreaza simediul, fiind cazul bacteriilor cromopare la care pigmentul este eliberat in exteriorulcelulei – ca de exemplu bacilul piocianic care sintetizeaza si elibereaza in exteriordoi pigmenti: piocanina – albastra si pioverina – verde. Alte caracteristici ce potconstitui criterii de identificare a coloniilor bacteriene, prezentate si anterior sunt:forma coloniei, rugozitatea coloniei, consistenta, forma conturului marginal, etc.

METABOLISMUL MICROBIAN

În acest capitol sunt prezentate:• definitia, caracteristicile si caile metabolice ale metabolismului microbian;• tipuri de metabolism: energetic si de sinteza;• transportul substantelor

1. DEFINI IE, CARACTERISTICI, CĂI METABOLICEȚDefiniție - Denumirea de metabolism vine din limba greaca, insemnand

schimbare, modificare. Asadar se poate defini metabolismul microbian careprezentand totalitatea schimbarilor chimice, fizice si morfologice care au loc incelula microorganismului.

Prin metabolism substantele din mediu sunt transformate (metabolizate) inconstituienti celulari, energie si produsi de metabolism.

Microorganismele autotrofe metabolizeaza substante anorganice.: dioxidulde carbon, apa, nitratii, elemente metaloide, compusi radioactivi. Cele heterotrofefolosesc in metabolism atat compusi anorganici cat si substante organice. Uniiprodusi, rezultati in urma activitatilor metabolice, prezinta o importanta deosebitain multe domenii precum agricultura, alimentatia, productia de medicamente,medicina umana si veterinara, etc.

Caracteristicile principale ale metabolismului pot fi considerate urmatoarele:1) prin reactiile metabolice se produce energie care se foloseste imediat in

procese de biosinteza, crestere, transport sau se stocheaza sub forma esterilorfosforici ai unor acizi nucleici (de ex. adenozin fosfatii - ADP, ATP).

2) reactiile metabolice dau nastere constituientilor celulari si enzimelor implicate inmetabolism;

3) metabolismul este un proces ciclic cu autoreglare ce mentine stabilitateacelulei, specificitatea si intensitatea reactiilor intracelulare, randamentul optimal activitatii celulare;

4) reactiile metabolice evolueaza dupa principiul eficientei maxime, adicaproductivitate maxima in reproducere, cu consum minim de energie;

5) toate reactiile biochimice metabolice sunt produse si catalizate de enzimelecelulei, ce pot actiona (in functie de specificul fiecareia) in interiorul sauexteriorul microorganismului.

6) in procesele metabolice sunt implicati toti componentii celulei, cu exceptiaacizilor nucleici, care avand rol ereditar, raman neschimbati.

Necesitatea intelegerii modului de desfăsurare a metabolismuluimicroorganismelor rezultă din consecintele practice ale acestuia, astfel:

a) dezvoltarea unor procedee si practici adecvate impiedicarii proliferarii unor

70

microorganisme daunatoare sau nedorite de om, in profilaxia si combatereaunor boli;

b) stabilirea unor biotehnologii si logistici necesare obtinerii unor produse deutilitate societatii umane, cum ar fi: alimente, medicamente, vitamine, etc.;

c) aplicarea in practica a unor procedee de ecologizare si refacere a mediuluiambiental cum ar fi degradarea si utlizarea deseurilor, refacerea terenurilordegradate de scurgerile petroliere prin utilizarea microorganismelor, etc.;d) bioingineriile genetice, etc.

Căile metabolice prin care se desfasoara reactiile biochimice au loc insecvente enzimatice ce pot produce un metabolit intermediar sau unul final.Numim metaboliti produsele care participa la metabolism, atat cele ce suntmetabolizate, cat si cele rezultate in urma metabolizarii.Caile metabolice sunt dinamice, interdependente, se pot desfasurasecvential si (sau) simultan, desfasurarea lor fiind functie de mai multe variabile,printre care:

1. caracteristicile si specificitatea microorganismului;2. specificul, compozitia si concentratia substratului metabolizat;3. caracteristicile mediului (temperatura, umiditate, etc.) in care isi desfasoara

activitatea microorganismul; 4. concentratia metabolitilor rezultati sau folositi in reactii; 5. prezenta sau absenta unor substante specifice activatoare, inhibitoare,inductoare ale microorganismului sau a unor secvente metabolice.

Desfasurarea secventelor poate fi liniara, atunci cand metabolitul rezultat dinreactia enzimatica este folosit ca substrat in urmatoarea treapta, constituind astfelun lant liniar. Alte cai metabolice au o desfasurare ciclica, in care metabolitulutilizat la inceput poate fi regenerat pentru a-l folosi in initierea unui alt tur alciclului. In anumite stadii secventiale, caile metabolice pot avea o desfasurareramificata, una sau mai multe secvente producand metaboliti intermediari folositica substrat (reactant) pentru o urmatoare secventa (situatie in care tipul de calemetabolica este denumit ramificat convergent). Alteori, daca metabolitulintermediar este folosit ca substrat in doua sau mai multe secvente cu desfasuraresimultana, atunci se poate spune ca avem de a face cu o cale metabolicadivergenta.

In metabolismul microbian sunt implicate doua tipuri de reactii biochimice, sianume:1. reactii care au loc cu eliberare de energie (exergonice) cunoscute sub numelede reactii de degradare sau de catabolism (grec. katabole = distrugere,desfacere), acest tip de metabolism purtand numele de metabolism energetic ;2. reactii de biosinteza, de anabolism (grec. ana = in sus, bole = aruncare) saude conversie, consumatoare de energie (endergonice) prin care suntsintetizate substantele compusilor nucleari, citoplasmatici, enzimele si alticompusi specifici celulelor microorganismelor, acest tip de metabolism fiindcunoscut sub numele de metabolism de biosinteza, sinonimele sale fiindanabolismul si metabolismul convertiv.

Cele doua aspecte ale metabolismului reprezinta in fapt doua laturi contrariiale unui fenomen unitar, procesele de catabolism si anabolism se presupun

70

reciproc, se conditioneaza unul pe altul si se desfasoara simultan in celulamicroorganismului. Interconditionarea celor doua tipuri de reactii este determinatade faptul ca energia rezultata din reactiile catabolice exergonice este folosita subforma compusilor macroergici (grec. makros = mare, ergasthai = a lucra) in reactiianabolice consumatoare de energie (sunt cunoscuti multi compusi organici careinmagazineaza energia, printre care amintim: esterii fosforici ai acizilor nucleici,nucleofosfatii ca adenozin, uridinfosfatii, acetil erenzima A, etc.).

De asemenea, o parte din metabolitii rezultati din reactiile catabolice pot constitui, partial sau total, reactanti de initiere (substrat ce este folosit) a unor cai anabolice ce conduc la sinteze de compusi celulari necesari dezvoltarii si existentei microorganismului.

Prin urmare, căile metabolice centrale, descrise mai inainte, care indeplinesc atâtfunctia energetică, cât si cea de furnizoare a precursorilor pentru biosinteza, suntcunoscute sub denumirea de căi amfibiolice (grec. amphi = amandoua, dublu).Atunci când o cale metabolica centrala este blocata in func ionarea ei,țprin folosirea intermediarilor rezultati in procesele de biosinteză, apar noi caicolaterale, auxiliare, cunoscute sub denumirea de căi metabolice anaplerotice.

Prin folosirea acestor căi, celula microbiana se adapteaza rapid la conditii foartediverse de mediu.

Functionarea si interactiunea celor patru tipuri de cai metabolice suntreglate de niste reactii de tip special (pace-maker), ce intersectează puncteleesentiale.

METABOLISMUL ENERGETICMetabolismul energetic (catabolic) se desfasoara in doua faze:1. faza descompunerii enzimatice a macromoleculelor in partile lor constitutive:aminoacizi, monoglucide, acizi grasi, etc., fara producere de energie utilizabila;2. faza degradarii exergonice a constituientilor formati in prima faza, cuproducerea unor cantitati importante de energie, utilizabila in alte reactiibiochimice; energia este inmagazinata in compusi macroergici de tipulnucleotid fosfatilor.Degradarea are loc prin reactii de oxido-reducere in care o substanta donor

doneaza un electron sau un ion de hidrogen unui acceptor, care astfel sufera oreducere. Reactiile redox sunt reversibile si catalizate enzimatic.

Metabolismul catabolic (energetic) este cunoscut si sub denumirea derespiratie celulara si are urmatoarele caracteristici:• se desfasoara etapizat (in trepte);• energia se elibereaza in fractiuni, prin reactii de tip redox;• energia eliberata este inmagazinata in compusi chimici macroergici de tipulnucleotid fosfatilor si utilizata in reactii de biosinteza (anabolice), energieechivalenta cu 7.3 kcal/mol;• reactiile din metabolismul catabolic sunt juxtapuse celor anabolice;• celula microorganismului se "incarca" cu o cantitate de energie specifica,cunoscuta ca incarcare energetica sau energie potentiala, ce este data desuma concentratiilor compusilor chimici macroergici inmagazinati (de ex.: ATP+ ADP + AMP care reprezinta cca 15 micromoli / g.s.n. celulara) putand fi

70

calculata cu relatia: Ep = 0.5 (ADP) + 2(ATP) / (AMP) + (ADP) + (ATP)Se intalnesc trei tipuri de respiratie celulara si anume:

1. FERMENTATIA - reprezinta procesul biologic de oxido-reducereproducator de energie, in care substantele organice sunt si donori si acceptori deelectroni, ca de exemplu zaharurile care prin degradare produc energieinmagazinata in forma de ATP (cca 30%) format prin reactii de fosforilare.

Fermentatia constituie modalitatea principala de procurare a energiei ladrojdii si bacterii anaerobe, glucidele (in principal glucoza) fiind cel mai des folositain metabolism, folosindu-se doua cai principale, si anume:- ciclul glicolitic Embden - Mayerhoff - Parnas, cale folosita de majoritateamicroorganismelor, in care donorul de electroni este aldehida fosfoglicerica, iaracceptorul final acidul piruvic, care ulterior este utilizat in mai multe tipuri dereactie (vezi mecanismul fermentatiei alcoolice).- calea glucofosfatilor Warburg - Dickens - Horecker, de natura strict aeroba,prin care se inmagazineaza jumatate din energia ciclului glicolitic; ea este o calede scurtcircuitare (shuntare) a caii glicolitice, fiind folosita pentru sintezapentazofosfatilor necesari in sinteza nucletidelor si a altor acceptori de electroni.Acestor cai li se mai pot adauga inca doua:- calea Enter - Douderoff (E.D.), care furnizeaza precursori pentru biosintezaARN si ADN, vitamine si acizi aromatici, fara producere de energie (intalnita launele specii de bacterii din genul Pseudomonas);- calea fosfocetolazei, intalnita la un grup mic de bacterii lacticeheterofermentative si care implica participarea enzimei fosfocetolaza; pe aceastacale acetil fosfatul este scindat direct dintr-un monoglucid cu 5 sau 6 atomi decarbon.Toate cele patru cai de folosire a monoglucidelor (glucozei) suntinterconectate, avand un important complex enzimatic comun. Totusi,microorganismele, avand o mare variabilitate genetica, isi aleg calea sau cailemajore cele mai convenabile. Chiar aceeasi specie poate folosi, in raport cuconditiile in care traieste, una sau mai multe cai.2. RESPIRATIA AEROBA - reprezinta acel tip de respiratie in caredonatorul de oxigen este o substanta anorganica sau organica, iar acceptorul finalde electroni este oxigenul, substratul fiind complet oxidat pana la CO2 si H2O.Asadar, respiratia aeroba se caracterizeaza prin aceea ca electroniieliberati prin oxidarea substratului sunt transferati la oxigen prin enzimetransportoare, energia rezultata stocandu-se in ATP prin cuplarea acestuia cureactiile de oxido-reducere. Modalitatea de obtinere a ATP cu reactiile redox estedenumita fosforilare oxidativa si are ca rezultat (in cazul substratului de glucoza) oenergie de 688 kcal/mol din care cca 40% este inmagazinata in ATP, mult maimare decat prin fermentatii.

Enzimele ce catalizeaza reactiile de transfer de electroni suntdehidrogenazele si actioneaza in functie de potentialul lor de redox (rH), de larH-ul mai negativ la rH-ul mai pozitiv cel mai ridicat. Toate enzimele actioneazanumai in prezenta unor coenzime specifice, astfel: dehidrogenazele pirimidiniceau coenzime NAD+ si NADP+ (Eo = -0.32V), cele flavinice folosesc drept

70

coenzime FMN+ si FAD+ (Eo = 0.05V), aldolazele, citocromoxidazele, piruvatdehidrogenaza folosesc drept coenzime citocromii, feredoxina, rubredoxina cu rHnegativ, iar kinazele utilizeaza cinonele (coenzimele Q sau ubichinonele) cu rHpozitiv.

Sistemul transportor de electroni este localizat in mitocondrii lamicroorganismele eucariote si in membrana plasmatica si mezosomi la celeprocariote.3. RESPIRATIA ANAEROBA - este acel tip de respiratie celulara in careacceptorul final de electroni poate fi orice substanta anorganica exceptandoxigenul, iar donorul un compus organic sau anorganic. Ea se intalneste numai labacterii si este explicitata mai pe larg la partea de microbiologie care se refera lacircuitul azotului, fosforului si fierului in sol.

METABOLISMUL DE BIOSINTEZA (anabolism, metabolism convertiv)

Tipul acesta de metabolism presupune procese biochimice prin caremicroorganismele isi sintetizeaza, din molecule simple, constituienti celulari,comuni sau specifici, necesari desfasurarii activitatii lor vitale. In reactiile debiosinteza se folosesc produsi si energie inmagazinata rezultate din reactiile decatabolism, ele fiind reactii consumatoare de energie (endergonice).Pentru ca reactiile anabolice sa aiba loc, microorganismele trebuie sagaseasca in mediu sursele de carbon si de energie, iar calea principala care lefurnizeaza sunt reactiile catabolice care se desfasoara simultan cu reactiileanabolice, aceasta fiind o caracteristica a metabolismului, asa cum s-a aratat maipe larg la inceputul acestui capitol.

TRANSPORTUL SUBSTANTELORTransportul substantelor de la exterior in interiorul celulei

microorganismului are loc selectiv si in dublu sens, prin mai multe mecanisme,principalele fiind:1. Difuzia pasiva, care este mecanismul de trecere lenta a substantelor din afarain interiorul celulei si invers, fara consum de energie, pe baza gradientului deconcentratie, de la o concentratie mai mare la una mai mica, pana candconcentratiile se echilibreaza. Prin acest mecanism se transfera putinesubstante, printre care apa, O2, CO2, acizii grasi, unele substante liposolubileprin membrana plasmatica.2. Transportul prin transportor este mecanismul prin care un transportorspecific (carrier), de natura proteica, situat in plasmalema, fixeaza substanta sio transporta in partea cealalta a membranei. El se realizeaza prin treimodalitati, si anume:• prin difuzie facilitata, transportul substantei fixate pe carrier avand loc, ca sila difuzia pasiva, pe baza diferentei de concentratie dintre cele doua fete alemembranei plasmatice, fara consum de energie, pana la echilibrareaconcentratiei.• prin transport activ, realizat cu consum energetic, impotriva gradientului deconcentratie. Energia necesara este cuplata la transportorul proteic ce contine

70

un cuplaj complementar pentru substratul respectiv. Aceasta modalitate detransport este folosita de majoritatea microorganismelor pentru glucide, saruriminerale, aminoacizi.• prin translocatie (transfer) de grup, substanta ce trebuie transportatamodificandu-si structura chimica la trecerea prin membrana, astfel incat ininteriorul celulei nu se mai regaseste substanta initiala. Aceasta modalitate detransfer are loc cu consum de energie si cu participarea enzimelorfosfotransferaze, care au legat fosfatul prin legaturi macroergice ceinmagazineaza energia necesara procesului de transfer.

70

ELEMENTE SI NOTIUNI INTRODUCTIVE DE GENETICA BACTERIANA

Genetica este stiinta care se ocupa cu ereditatea* si variabilitatea materieivii. Legile geneticii, ale ereditatii si variabilitatii, sunt aceleasi pentru toate fiintele,dar pot infatisa aspecte particulare in raport cu gradul de dezvoltare, de organizarea acestora.* lat. hereditas – mostenire; notiunea de ereditate a fost introdusa deH. Spencer (1863) pentru a indica asemanarile dintre parinti si urmasi.

Ereditatea nu este o proprietate invariabila, premanenta, ci se supunelegilor generale ale dezvoltarii in care confruntarea dintre stabilitatea caracterelorsi tendinta de schimbare este permanenta, avand drept consecinta aparitiaindivizilor care ii indeparteaza de exemplarul de origine tipic, cunoscuti subdenumirea de mutante (mutanti). Toate fiintele vii, inclusiv virusurile, bacteriile,fungii, indiferent de originea lor, vegetala sau animala, au o capacitate diferita devariabilitate in raport cu potentialul lor mutagen.

Intre genetica microbiana si genetica fiintelor superioare se pot evidentiaunele deosebiri pe care le vom arata in continuare:a) microorganismele isi asigura descendentii numai pe linie verticalădeterminând ceea ce se cunoaste sub numele de clone, ca urmare a mutatiilor si ahaploidei* ca un fenomen al asexualitatii lor; la fiintele superioare are loc un processexual constand din fuziunea completa a doi genomi** proveniti de la o celulamascul si una femela ce da nastere la un zigot***; desi exista procese cu aspectsexual si la unele bacterii, acestea se diferentiaza de cele ale fiintelor superioaredeoarece celula bacteriana donatoare lasa, de obicei, numai o parte din genomulsau celulei primitoare, fenomen cunoscut sub numele meromixis, genomulintegrat celulei primitoare fiind denumit endogenot iar fragmentul partial al celuleidonatoare, exogenot; din acest motiv celula descendenta este diferita in raport cucele din care a provenit;* grec. haplos – simplu, jumatate; eidos – forma; haploidul este ocelula somatica care poseda in nucleu un numar impar de cromozomi;haploidia este un fenomen care implica haploizii si totodata unprocedeu de a obtine genotipuri homozigote la fiinte superioare.** grec. genos – urmas; genom, termen indus de Winkler (1920)pentru a defini setul complet de cromozomi mostenit ca o unitate de laun parinte.*** grec. zygos – a uni, a impreuna: zigot – celula diploida rezultata dinfuziunea prin fecundarea unui gamet femel cu un gamet mascul, dincare se dezvolta embrionul; grec gametes – gamet – celula sexualamaturab) la bacterii, cromozomul recombinat este un cromozom nou, in careendogenotul si exogenotul este integrat, in timp ce la fiintele superioarecromozomul se formeaza prin schimb reciproc de segmente.55

In continuare sunt prezentate sintetic principalele aspecte,

70

notiuni si metode referitoare la genetica bacteriana.Asadar, dupa cum s-a amintit mai inainte, zestrea genetica a unei bacterii

reprezentate printr-un set complet de cromozomi o constituie genomul bacteriansi este organizat nuclear (cromozomul) si extracromozomial, ambele materialegenetice asigurand ereditatea, capacitatea de a transmite descendentilorcaracterele distinctive de specie.

Potentialul genetic, reprezentand informatia genetica a unei bacterii,poarta denumirea de genotip, iar a celor exprimate, pentru ca nu toate caracterelegenetice potentiale se pot exprima real, se numeste fenotip.

Cromozomul bacterian, materialul nuclear al genomului, este compus dinmai multe componente si anume: un ADN (acid dezoxiribonucleic) cu douaantene si structura helicoidala (dublu helix), care detine informatia pentru functiilevitale ale celulei (nucleul are un singur cromozom si un singur ADN, celula fiindhaploida si nu este invelit de membrana nucleara); gena, o unitate elementara aereditatii localizata in cromozom, asezata in lant de-a lungul cromozomului si carecodifica informatia ce controleaza sinteza, functia si specificitatea unei enzime;cistronul, un segment de ADN care codofica informatia necesara pentru sintezaunei enzime (a unui lant polipeptidic) continand cca. 1500 perechi de nucleotiziaranjate liniar; codonul, reprezentand unitatea morfologica corespunzatoare uneisecvente din trei nucleotizi dintr-un cistrom care codifica includerea (sauneincluderea) unui aminoacid intr-un lant polipeptidic*.*limbajul in care informatia genetica este codificata in ARNmesagerconsidera bazele azotoase adenina-A, guanina-G,citozina-C, timina-T si uracilul-U ca fiind “litere” care sub formaunei secvente de 3 nucleotizi de baze azotoase formeaza“cuvintele”; citirea se face succesiv, in grupe de 3 baze,intotdeauna de la capatul genei si in acelasi sens. Codonii pot fide trei categorii: cu sens, cand specifica aminoacidul ce trebuieinclus in lant, gresit (missens), cand arata un alt aminoacid inlocul celui necesar si nonsens, daca nu specifica aminoacizii,dar codifica semnalul “stop” la implantarea lantului polipeptidic.

Acizii nucleici contin in molecula azotoase pirimidice (de obicei citozina siguanina precum si ambele forme de acizi nucleici), un zahar (D-riboza si respectiv2-dezoxi-Driboza), acid fosforic sub forma unor saruri de Mg, Ca, s.a.

Materialul genetic extracromozomial detine informatii neesentiale, carese pot pierde fara a afecta viabilitatea celulei dar contribuie la variabilitateabacteriana. El se compune din plasmide si segmente genetice transpozabilecontinand ADN sub forma de secvente scurte sau mai lungi, care prin inserare incromozom provoaca succesiunea bazelor azotoase.

Plasmidele se diferentiaza in: plasmide propriu-zise (cu control relaxat),care confera rezistenta la antibiotice, sunt libere in citoplasma si se inmultescautonom de genofor dar nu se transfera dintr-o celula in alta (neconjugative) siepisomii** (cu control strict), elemente genetice neesentiale formate dinmolecule circulare continand cateva mii de perechi de baze. In celula pot exista indoua stari alternative – autonomi in citoplasma sau inserati in cromozomi.

70

**grec. epi – pe; soma – corp (Thomson, 1931)De fapt, episomii pot fi considerati niste minicromozomi ce pot favoriza

conjugarea i recombinarea naturala.șPlasmidele propriu-zise sunt de mai multe tipuri: (a) Factorul “R”, ce

detine mai multe gene ce codifica rezistenta la antibiotice (din care una “RFT” estecapabila de a transfera rezistenta, chiar in lipsa factorului “F”); (b) Factorul “F”,independent de citoplasma; (c) Factorul “COL”, ce detine informatii pentru sintezaunor compusi cu actiune antibacteriana (colicine).

Episomii sunt plasmide cu control strict si se gasesc in stare autonoma,libere in citoplasma, cand se pot inmulti indepndent de genofor si in stare integrataintr-un anumit punct in genofor, replicandu-se simultan cu genoforul. Episomii aumai multe functiuni si au denumiri ce provin din functia detinuta: Factorul F(Fertility), continand 11 gene, ce codifica sinteza unor componente ale unor pilisexuali, (el putand fi de tip mascul F+ , donator si de tip femel F- , primitor);Factorul Hfr (high frequency recombination), care ofera o frecventa derecombinare de sute de ori mai ridicata ca a factorului F, pe care il contine;Factorul Ti (tumour inducing), agentul inductor al convertirii celulei normale incelula tumorala (gasit prima oara in 1907 de Smith si Townscad in bacteriaAgrobacterium tumefaciens); Bacteriofagul, virulent si/sau temperat, cuproprietatea de a distruge bacteriile prin adsorbtia la suprafata celulei susceptibile,distruge, prin dizolvare, membrana celulara si infecteaza, prin pedicel* ADN-ulspecific in bacterie; Factorul Vhf (very high frequency of recombination), arecalitatea, in opozitie cu factorul Hfr , de a transfera, cu o frecventa mult mai mare,markerii terminali ai cromozomului, etc.

Ereditatea reprezinta asadar, dupa cum s-a aratat anterior, mentinereacaracteristicilor de specie a ADN-ULUI cromozomial prin replicaresemiconservativa.

Variabilitatea biologica reprezinta, in cazul bacteriilor, aparitia unormodificari in celulele fiice, de lunga sau de scurta durata ori definitive. Asadar,variabilitatea biologica poate aparea sub influenta unor conditii de mediu, fiindlimitata de genotipul existent si denumindu-se fenotipica**.**grec. phainen – a aparea; typos – chip, imagine; fenotipulreprezinta totalitatea unui organism la un moment dat(Johannsen, 1909), fiind rezultatul dintre genotip si mediu.

In acest caz, ea este de scurta durata si reprezinta totalitatea variatiilorbiologice, fiind alcatuita din variatia mediului, provocata de influentele factorilor demediu si variatia genetica. Daca variabilitatea este rezultatul exclusiv al genelorsegregate, al interactiunii si efectului aditiv al actului genelor, ea se numestevariatie (varianta*) genetica si se transmite in descendenta prin replicare, fiinddefinitiva.*lat. variare – a schimba; variatia reprezinta suma patratelorabaterilor de la media aritmetica si se simbolizeaza cu s2

Notand cu urmatoarele simboluri: VB - variabilitatea biologica, cu VM -variabilitatea mediului, VG – variabilitatea genetica, atunci:VB = VM + VG sau VG = VB - VM

Proportia din variabilitatea totala care este controlata de ereditate, in special

70

cea determinata de genele multipla cu efecte aditive (VA) se numeste heritabilitate (H sau h2) si se defineste ca fiind raportul dintre variatia genetica aditiva (VA) sivariatia biologica:A B A G M h2 =V V =V V +V

Mutatiile, care presupun modificarea secventei bazelor azotoase, astfelincat numarul celulelor descendente difera de cel al celulelor mama, apar inperioada de diviziune celulara exponentiala, din cauza ritmului foarte rapid decrestere in timpul autoreplicarii. Celula care a suferit mutatia se numeste mutant.

Mutatiile pot fi spontane, ce apar ca greseli de copiere in timpul autoreplicarii,datorita vitezei de autoreplicare, sau induse de catre factori inductori (agentimutageni), ce pot fi fizici (radiatii u.v., X, gamma, etc.), chimici (ex. aminopurina) sibiologici (de ex. gene supresor non sens care permit inserarea unui aminoacid inlantul polipeptidic al mutantului).

Schimbarile ce pot aparea in cursul mutatiilor sunt variate, multiple si demulte ori imprevizibile deoarece actioneaza intr-un lant polimolecular cu sute si miide secvente diferite, prin inlocuirea, inserarea, surprinderea sau inversarea ordiniibazelor azotoase.

Transferul si recombinarea genetica este cea de a doua cale de a obtinemutanti, prin care, o celula donoare face transfer de material genetic la o celulareceptoare, prin transmiterea unor fragmnte de ADN sau al intregului genom alcelulei donoare la celula receptoare.Transferul si recombinarea genetica pot fi realizate prin trei modalitati:transformare, transductie si conjugare, pe care le vom descrie in continuare.In cazul transformarii, mutantul preia ADN-ul din cromozomul donorului, instarea fiziologica numita starea de competenta, in care ADN-ul transformatstrabate peretele si membrana plasmata. Este un mecanism genetic caredetermina, de exemplu, rezistenta la antibiotice.

Transductia este un fenomen descoperit de Zinder si Lederberg in 1952,care consta in transmiterea caracterelor de la o cultura bacteriana la alta cuajutorul bacteriofagului, prin inocularea ADN-ului acestuia in celula bacteriana.

Dar transductia poate avea loc si dupa urmatorul scenariu: bacteriofagul poateramane intr-o stare neinfectioasa (stare de profag) cand se fixeaza de cromozomulbacteriei si se divide sincron cu aceasta, comportare numita lizogenie. Genelebacteriene pot fi transferate de la o celula la alta de catre fagii nevirulenti(temperati), caz in care au fost denumiti si fagi transductanti.

In fine, cea de-a treia metoda de transfer si recombinare genetica oconstituie conjugarea*, care reprezinta un proces ce determina unirea (sinapsa)unor cromozomi in meioza** de la materialul donor la acceptor prin episomi F+ si F-

(plasmide autonome libere in citoplasma cu functii sexuale). Celula donoareposeda factorul “F+” pe care il trece in celula receptoare care contine factorul “F-”,prin pilii sexuali. Spre deosebire de celulele fiintelor superioare, la care zigotul*** seformeaza din genoamele integrale ale celor doi parteneri, la bacterii, donorul lasa,de obicei, numai o parte din genomul sau acceptorului. In acest caz, fenomenul detransfer partial genetic se numeste meromixis****, iar zigotul partial merozigot.*lat. conjugatio – impreunare, unire**grec. meion – mai mic; meioza (diviziunereductionala) este totalitatea fenomenelor complexe

70

premergatoare formarii gametilor (celule sexualemature)***grec. zygotos –imperechiat, unit****grec. meros - parte

Conjugarea este calea cea mai frecventa de castigare a rezistentei laantibiotice.

Bacteriile, dupa cum se stie, nu au cromozomi in sensul clasic al notiunii, ciele poseda o singura formatiune cromozomiala circulara alcatuita din ADN dublucatenar cu o lungime de 1000-1400 micrometri care formeaza un singur grup delinkage.

In general, bacteriile sunt complet haploide numai in anumite circumstante,de exemplu atunci cand sunt sub forma de spori. In restul ciclului vital ele suntpartial diploide datorita replicatiei ADN - ului care face ca unele gene sa seregaseasca intr-o singura doza, altele in doua sau chiar patru doze, aceastadeoarece, uneori, inainte de terminarea primei replicatii a ADN - ului, incepe aldoilea sau chiar al treilea ciclu de replicatie. Atunci cand replicatia ADN - ului nuare loc, celulele bacteriene sunt haploide, partial diploide sau diploide in functie demomentul cand sinteza ADN - ului a fost blocata.

70

MORFOLOGIA ŞI BIOLOGIA SPORULUI BACTERIAN

SPOROGENEZA BACTERIILORDupa cum se arata la morfologia bacteriilor, anumite specii de bacterii (de

exemplu familia Bacillaceae) au o forma de rezistenta cunoscuta sub denumireade spor. Forma sporului este sferica sau elipsoidala, dar pot exista mai rar si alteforme (suveica, maciuca), având dimensiuni reprezentând 5-15% din celulamamă.

Aceste bacterii se transformă în spori, forme primitive de diferenţiere celulară, cu rezistenţă crescută la factorii de mediu şi care apar endocelular în condiţii nefavorabile de viaţă. Ace tia au un inveliş rezistent, format din mai multe straturi datorită căruia rezistăș în mediul extern zeci de ani. Sporogeneza se întâlneşte numai la 2 genuri de bacterii gram-pozitive de interes medical, Clostridium şi Bacillus.

Poziţia sporului bacterian constituie un caracter taxonomic. Poate fi centrală, subterminală şi terminală.

Figura 8 – Poziţia sporuluiSporularea se declanşează în condiţii nefavorabile de viaţă, când bacteriile sunt

lipsite de surse nutritive.

Figura 9 - Structura sporuluiSporii nu sunt forme de înmulţire ale bacteriilor. Dintr-o bacterie vegetativă se

formează un singur spor, care în condiţii favorabile de viaţă germinează şi va da naştere unei singure celule bacteriene vegetative identice cu aceea în care s-a format.

Rolul sporului este asigurarea perpetuarii speciei bacteriene in conditiinefavorabile, bacteria trecand in aceasta forma de rezistenta, care nu are nici unrol in multiplicare sau patogenitate.

Sporul la bacterii prezinta o forma primitiva de diferentiere celulara. El se

70

formeaza ca un tip nou de celula in celula vegetativa, cu ultrastructura, compozitiechimica si enzimatica diferita de ale celulelor vegetative, prezentand o deosebitarezistenta la conditii nefavorabile de mediu. Unele constrangeri mecanice specificesunt impuse de natura peretelui celular in procesul de sporogeneza, de vreme cetoate bacteriile sporogene cu exceptia genului Desulfomaculum sunt grampozitive.

Sporogeneza este un caracter de specie la bacterii din clasa Bacillaceae.La bacteriile anaerobe din genul Clostridium sporul este o structura constanta in

timp ce la genul Bacillus sporul apare in mod facultativ.Pentru bacterii, forma caracteristica de spor este endosporul. El apare in

interiorul celulei vegetative numite sporangiu sub forma unei formatiuni foarterezistente in conditii de mediu nefavorabile.

Endosporul este o formatiune sferica sau ovoidala al carui volumreprezinta 5-15 % din volumul si 30% din greutatea sporangelui.

Structura clasica a endosporului bacterian este formată din trei straturi:exina-invelisul exterior, medina-stratul median si altul interior-intina care larandul lor se compun dintr-unul sau mai multe straturi. Sub invelisul sporal segaseste un al doilea invelis de natura glucoproteica, numit cortex, avand un rolmixt de rezistenta mecanica, de reglare a presiunii osmotice care favorizeaza inanumite conditii transferul apei libere din endosperm spre exterior. In interiorulacesteia se afla celula propriu-zisa – protoplastul sporal format dinsporoplasma (citoplasma continand organite ribozomiale si nucleoplasma).

Sporularea se poate considera ca are loc in trei etape, si anume:pregatitoare, faza de prespor si stadiul de spor matur.

La inceputul sporularii celula prezinta doi nucleoli complet separati spatialice condenseaza intr-un filament axial de cromatina, dupa care acesta se separadin nou in doi cromozomi, dintre care unul migreaza la o extremitate a celulei undeva fi izolat printr-un perete intr-un compartiment corespunzator viitorului spor. Inacest compartiment sinteza ADN este inhibata. Aceasta poate fi considerata fazapregatitoare.

In continuare are loc sinteza unor substante specifice sporale ce compunprotoplastul sporal (presporul) si apoi a peretelui celular peptidoglicanic al viitoareibacterii, iar cortexul sporal capata structura rigida care ii confera rezistentadeosebita la variatii de temperatura (si peste 100oC) si la scaderea umiditatii.

In celula sporală au loc modificari substantiale compozitionale si fiziologice:volumul si greutatea se reduc, continutul de apa scazand de la cca 80% laaproximativ 15%; astfel structura ei gasindu-se acum sub forma de apa legata dediferite componente citoplasmatice, care sa favorizeze ulterioarele reactiibiochimice.

Modificarile mentionate au drept urmare formarea invelisurilor sporale prindepozitarea pe suprafata cortexului a unor straturi proteice multiple si incorporareade cisteina*, iar citoplasma devine mai omogena, mai densa. Este faza dematurare, de spor matur, cand sporul se afla in stare de viata latenta (criptobiotica)in care enzimele sporale se afla in stare de inactivare, iar metabolismulendosporului este redus la zero, caracteristic starii de anabioza, desi celula nueste moarta.*aminoacid cu grupari sulfhidrice ce au proprietati de donatori –

70

acceptori de electroni, component al acizilor nucleici.Faza de spor matur se caracterizeaza prin acumulare in cantitate mai mare

(10 – 15 %) de acid dipicolinic*, un compus specific capabil sa formeze chelati cuionii de calciu si/sau magneziu, determinand in aceasta forma modificaristructurale in sporoplasma, care au drept consecinta o crestere a rezistentei sporuluila factori nefavorabili de mediu.*acid 2,4 piridin dicarboxilic

Astfel, in timp ce celula vegetativa este inactivata la temperaturi putin peste65oC in cateva minute, endosporul este inactivat termic abia in 10-20 de minute inmediu umed si la 180oC timp de 45-60 de minute in mediu uscat. Aceastarezistenta la temperaturi ridicate se explica prin continutul mare de proteine cu sulfsi a complecsilor acidului picolinic.

Sporularea bacteriilor este un proces morfogenetic programat sa sedesfasoare etapizat ,fiind controlat de cca. 50 de gene. Se cunoaste de exempluca sporogeneza la Bacillus subtilis este controlata de 42 de gene ale sporula

Formarea sporului presupune o trecere de la un potential genetic total alunei celule vegetative la unul selectiv specific sporului insotit de o regresie agenelor vegetative. Trecerea de la forma vegetativa la sporulare se caracterizeazaprintr-un moment critic, dincolo de care nu se mai poate influenta in nici un felevolutia sporului, fenomenul fiind cunoscut prin sintagma fenomen de angajare.

Sporogeneza reprezinta o alternativa a cresterii vegetative de adaptare acelulelor procariote la conditii fluctuante de mediu ce depasesc limitele normale decrestere. In timp ce bacteriile propriu-zise formeaza endospori, bacteriileactomicete, filamentoase si ramificate cu o mare varietate de tipuri morfologice,de regula gram-negative, produc un alt tip de spori numiti actinospori, ce au treiforme principale si mai multe intermediare: sporangiospori, endospori si artrospori(spori hifali). In cazul acestor bacterii sporogeneza este diferita fata de ceaanterior descrisa, avand 4 stadii succesive si anume: la inceput celulele micelienese spiraleaza, viitorul spor fiind separat de hifa printr-un perete ce determinaformarea unor celule egale ce vor deveni spori. Apoi, in hifa sporogena are loc oaparitie a septurilor de sporulare asociate cu prezenta mezozomilor la distantede cca 1-2 micrometri. Septurile apar prin cresterea spre interior a unordiafragme inelare duble, ca o continuare a peretelui celular si a membraneicitoplasmatice. Urmeaza formarea unui perete helicoidal gros, semirigid, dupacare sporii, initial de forma cilindrica, capata forma elipsoidala, peretele micelianvechi dezintegrandu-se. In faza de spor matur, sporii elipsoidali sunt inlantuiti silegati de filamentul vegetativ doar printr-o singura membrana.

Mai sunt si alte tipuri de spori, ca de exemplu cei de origine hifală(artrospori)*, care provin din ingrosarea peretilor celulelor vegetative si acumulareade substante de rezerva, ori gonidiile rezultate prin contractia, condensarea sidivizarea protoplasmei unei celule vegetative avand rol de reproducere (laLeptothrix ochracea), deosebindu-se intre ei atat structural, cat si prin rolul lorbiologic.*arthrom – articulatie; askos – sac; aktinos - raza; mykes – ciuperci;kenis – praf; kistis – sac, vezica

70

Sporul – formă biologică de compensare → unele specii bacteriene plus alte microorganisme → rezistenţă mare la factorii de mediu → rol exclusiv în multiplicare la anumite specii, mai ales la fungi.

Celula vegetală → sporulează → spor.Iniţierea sporulării → endospor – mono, rar bisporulate.Sporul → germinare → celulă vegetativă.Sporularea i germinareaș sunt influen ate de factori genetici represaţi de proceseț

interne şi factori de mediu.Speciile sporogene cele mai cunoscute apar in genurilor Bacillus i Clostridiumț ș

(ambele au formă dreaptă, de bacil).Sporul bacterian – formă dormantă → proprietăţi:

Absenţa activităţii biosintetizante Absenţa funcţiei de multiplicare Intensitate scăzută a funcţiilor vitale (se reduc activită ile vitale)ț Rezistenţă foarte mare fa ă de diver i factori de mediu (temperatură, substan eț ș ț

chimice, umiditate scăzută, etc).

Etapele sporogenezei

I. Pregătirea celulei pentru procesul de sporogeneză Contopirea materialului genetic într-o masă cromatică. Segmentarea şi reorganizarea masei cromatice – replicarea acesteia în 2

cromozomi.II. Formarea presporului – stadiu incipient spor.

Constituirea unui sept transversal prin invaginarea membranei citoplasmatice – separarea cromozomilor central/excentric.

Evoluţia pe căi diferite a celor 2 segmente celulare:1. Prespor → gradul ridicat de refringenţă şi opacitate faţă de lumină

→ organizarea învelişurilor sporale2. Sporangiu – restul celulei vegetative care poate suferi liză totală

(Bacillus cereus) sau rămâne ataşat de spor un timp nedefinit (Clostridium tetani).

III. Maturarea sporului – stadiul final al organizării constituen ilor sporali cuț însuşiri biologice caracteristice:

compoziţia chimică specifică activitate metabolică scăzută rezistenţă mare la factori fizici (temperatură) sau chimici.

Constantele morfologice şi fizice ale sporului

1. Forma sporului– de regulă ovală, cu excepţia formei sferice la Cl. tetani.2. Dimensiuni: L de 1,5-2 μm

l de 0,5-1,2 μm.3. Volumul este mai mic decât al celulei vegetative.4. Afinitatea tinctorială este diferită faţă de cea a celulei vegetative.

70

• Se colorează i prin metoda Gram (palid contur spor) ș• Pentru colorarea energică se folosesc soluţii concentrate.

5. Aşezare spor: central, subterminal, terminal, lateral.6. Forma bacteriilor sporulate:

bacil nedeformat – spor central, genul Bacillus lămâie – spor central (transversal mai mare decât al celulei vegetative),

genul Clostridium lampă de petrol – spor subterminal rachetă de tenis – spor terminal excentrică.

Structura sporuluiStructură – densitatea este mai mare decât la celula vegetativă.

1) Inima sporului (sâmbure/core) – protoplast• sporoplasma corespunzătoare citoplasmei –alcătuită din granule

de 10nm (ribozomi)• nucleoplasma – material nuclear ADN

2) Membrana internă (intină) ~ membranei citoplasmatice3) Cortex (strat gros) extern membranei interne format din peptidoglican4) Înveliş extern (exină/tunici sporale) – structură polilamelară5) Exosporina (înveliş suplimentar) la anumite specii– rol de anvelopă laxă6) Apendicii sunt expansiuni exterioare ale sporului, sub formă de smoc, cu

lungimea 2-3 ori mai mare de decât lungimea sporului7) Corpii parasporali sunt formaţiuni cristaloide – aflate pe suprafaţa

sporului

Particularităţile sporogenezei

1. Particularităţi biochimice: Cantită i reduse: apa liberă şi sărurile de P şi Kț enzime metabolice lipsesc concentraţi mari de Ca2+, Mg2+, Mn2+, cisteină

2. Particularităţi fiziologice procese metabolice reduse schimburi de substanţe nutritive (nu există)

3. Particularităţi biologice: termorezistentă – căldură umedă (120oC) sau uscată (180oC)

Germinarea sporului

Fazele germinării iniţierea germinării –transformarea sporului – creşterea volumului prin

absorbţia de apă însoţită de pierderea însuşirilor specifice

70

creşterea postgerminativă – redobândirea însuşirilor morfologice

Determinismul proceselor de sporogeneză – germinare factori genetici, aproximativ 50 de gene dispersate în celula vegetativă de

compuşii chimici din mediu factori de mediu: activant(+) sau inhibant(-)

Factorii de mediu activanţi pentru sporogeneză sunt: temperatura optimă (18-49oC la B. anthracis), uscăciunea la speciile aerobe. Pentru germinare, temperatura optimă de multiplicare diferă de la o specie la altă specie, umiditate, şoc termic la 60-80oC. La speciile anaerobe ace tia sunt pH-ul=6-8, substanţele chimice (glucoza, aminoacizii, Caș 2+, K2+, Na2+).

Implicaţiile ecologice ale sporogenezei – existenţă saprofită → supravieţuirea nelimitată şi multiplicarea în medii naturale.

70

VIRUSURILE

Virusurile sunt agenti patogeni alcatuiti din proteine si acizi nucleici dedimensiuni extrem de mici - intre 10 si 300 milimicroni – vizibile doar cu ajutorulmicroscopului electronic si activand intotdeauna ca paraziti celulari si intracelulari.

Virusurile sunt lipsite de organizare celulara si intracelulara si ocupa un locintermediar intre moleculele proteice si bacterii, avand forme spatiale diferite:cilindrice, sferice, ovoidale, poliedrice etc.

Sub aspect compozitional, virusurile au doar un singur tip de acid nucleic(ARN sau ADN) si nu dispun de un complex enzimatic capabil de reproducere.Odata patrunse in celula gazda, virusurile modifica metabolismul celular, astfelincat, in locul metabolismului celular caracteristic, se substituie metabolismulspecific virusului. Bolile produse la plante si la animale de catre virusuri se numescviroze, ce se manifesta atunci cand sistemul imunitar, genetic sau dobandit, numai poate face fata atacului virulent. Virozele cele mai frecvente la om sunt celeale gripei, ale hepatitelor B si C, ale poliomielitei, febrei aftoase, etc. La plante -virozele cartofului, mozaicul tutunului,etc.

Constituentii virali - structura virusurilor este atat de regulata si cristalinaincat multe virusuri purificate formeaza agregate mari sau cristale daca suntsupuse anumitor tratamente. Organizarea unui virus este simpla si compacta,continand numai acele parti necesare pentru a invada si controla o celula gazda:un invelis si un miez central.

Modelul de organizare a unui virus poate fi prezentat astfel: Capsida Invelis Anvelopa (nu este prezenta la toate virusurile) Particula virala (virion) Molecula de acid nucleic Miez central (AND sau ARN) = genom viral Diferite proteine (enzime)Nomenclatura virusurilor - Comitetul International de Taxonomie al

Virusurilor (ICTV = International Commitee on Taxonomy of Viruses) esteautoritatea care furnizeaza sistemul universal de clasificare si nomenclaturavirusurilor. Acest sistem se bazeaza arbitrar pe nivele ierarhice de: ordin, familie,subfamilie, gen si specie. Nivelele inferioare speciei (subspecie, tulpina, varianta)sunt stabilite de experti apartinand unor grupuri speciale internationale.

Nomenclatura formala a virusurilor nu implica utilizarea termenilorbinominali latinizati. Numele de familie, subfamilie si gen se scriu cu litera initialamare si caractere italice. Numele speciei, cu unele exceptii, nu se scrie cu literamare si nici cu caractere italice. Exemplu: Ordinul Mononegavirales, Familia Rhabdoviridae, genul Lyssavirus, virus rabic.

Nomenclatura virusurilor utilizeaza si termeni vernaculari, informationali: virusulgripal, virusul rabic.

70

Denumirea virusului are diferite proveniente: aspectul microscopic (forma,marimea), zona geografica sau anatomica de izolare, efectele asupra gazdei saumai multe caractere combinate. De exemplu: togavirus, lat. toga = roba este unvirus care are o anvelopa ca o manta; adenovirus, gr. aden = glanda, descoperitpentru prima data in vegetatiile adenoide; herpesvirus, numit dupa caracterul deraspandire al eruptiei herpetice, gr. herpes = a se furisa, etc.

BACTERIOFAGII

Exista unele virusuri care paraziteaza celulele bacteriene si provoacadistrugerea lor. Acestea poarta denumirea de bacterioifagi, mancatori de bacteriisi sunt raspandite in toate mediile in care se gasesc bacterii. Caracteristic acestoraeste forma de cireasa cu coada; capul rotund cuprinzand ADN inconjurat de uninvelis proteic,capsida,in care se afla o molecula de AND (sau ARN viral) iarcoada,pedicel, formata din proteine, are la partea terminala o zona enzimaticacapabila sa dizolve peretele celulei bacteriene, creand o bresa prin care infuzeazaADN propriu. In prezenta unei bacterii, fagul este absorbit la suprafata celuleibacteriene,dizolva membrana, si prin pedicel injecteaza AND-ul fagic,care preiatoate functiile de multiplicare.Prin multiplicarea ADN-ului bacteriofagului are locdizolvarea celulei bacteriene si eliberarea virusului care poate ataca noi celule.Aceasta comportare reprezinta ciclul litic sau vegetativ,iar bacteriofagul senumeste virulent.. Daca sub aspect medical actiunea bacteriofagilor este benefica,ei fiind folositi in combaterea unor infectii, in unele domenii de activitate, acolounde se utilizeaza bacterii, de exemplu in biotehnologii, virozarea cu bacteriofagipoate avea efecte catastrofale, compromitand uneori in totalitate productiile. Dinacest motiv, cunoasterea fiziologiei si a morfologiei virusurilor bacteriofagi, aconditiilor lor de dezvoltare, constituie un factor esential in salvarea productiei.

VIROIZII SI PRIONII

Exista un numar mic de entitati cunoscute, ale caror proprietati sunt indezacord cu definitia virusurilor, ca elemente genetice care modifica procesulcelular normal, supunandu-l propriei replicari si care au o forma extracelulara. Caatare, aceste entitati nu sunt considerate, in prezent, virusuri, desi par stransinrudite cu acestea. Din categoria acestor entitati, care reprezinta o categorieaparte de agenti infectiosi subvirali, fac parte viroizii si prionii.

Viroizii sunt molecule mici de ARN circular care nu codifica proteine si sunttotal dependente, pentru replicare, de enzimele codificate de celula gazda. Izolatiin 1971 de T.O. Diener, viroizii au fost considerati virusuri, ulterior stabilindu-seconceptul de viroid. Spre deosebire de virusuri, la viroizi forma lor extracelularaeste aceeasi cu forma intracelulara si nu au invelis proteic (capsida). Viroizii suntcei mai mici agenti patogeni cunoscuti (de la viroidul cadang cadang al cocotieruluicare are 246 nucleotide, la viroidul citrus exorticus din 375 nucleotide). Eireprezinta o categorie speciala de agenti patogeni subvirali, exclusiv la plante,determinand boli grave la importante forme de cultura: tuberculii fusiformi de lacartof; nanismul hameiului; nanismul si marmorarea clorotica la crizanteme si

70

altele. Interesant este ca molecula de ARN infectanta nu contine gene pentrucodificarea proteinelor si deci viroidul este total dependent, pentru replicarea sa,de functiile gazdei.

Existenta viroizilor ridica mai multe probleme interesante si intrigante inlegatura cu boala pe care o reproduc. Localizarea viroizilor, in principal, in nucleulcelulei gazda, impreuna cu capacitatea lor de a servi ca matrita ARN-ului,sugereaza ca simptomele de boala pot rezulta din interferenta viroidului cumecanismele genetice si functiile metabolice ale gazdei. O asemenea interferentapoate determina producerea unor proteine "gresite".

In mod cert, viroizii sunt sisteme genetice independente, cu proprietatideterminate de secventa nucleotidica a acizilor ribonucleici respectivi.

Prionii reprezinta extrema cealalta fata de viroizi, luand in consideratieparametrii care definesc virusurile. Ei au o forma extracelulara distincta, dar formaextracelulara este reprezentata in intregime de proteina. Cu toate acestea,particula de proteina este infectioasa si sunt cunoscuti diferiti prioni care produc ovarietate de boli la animale si la om. Termenul de prion a fost introdus de PrusinerS.B., care in 1980 propune ipoteza prionului, pentru a distinge, de viroizi sivirusuri, particulele infectioase proteice ce determina un grup de bolineurodegenerative. Bolile neurodegenerative determinate de prioni sunt in prezentclasificate impreuna, deoarece etiologia si patogeneza lor implica modificarea uneiproteine celulare normale numite Prusiner PrP (proteina prionica). Aceste boli semanifesta ca boli infectioase, ereditare si sporadice. Acestea includ: encefalopatiitransmisibile, encefalopatii spongiforme, etc. Boli reprezentative: scrapia oilor,boala "vacii nebune", boala Creutzfeld - Jacob, insomnia familiala fatala, etc.

Pe lânga boala cu urmari grave, infectia prionică are ca rezultat producereamai multor copii ale proteinei prionice. Aceasta proteina trebuie sa fie codificata deacid nucleic, altfel, existenta prionilor ar pune sub semnul intrebarii modelul centralal fluxului de informatie genetica.

Cunoasterea viroizilor si prionilor prezinta interes din mai multe motive:• extind definitia data virusurilor, fata de care sunt caracterizati;23• demonstreaza existenta atat a unor modalitati neasteptate prin care elementelegenetice se pot replica, cat si a unor modalitati neasteptate prin care potsupune celulele gazda;• determina boli grave care la om au un caracter unic prin aceea ca sunt atat boligenetice (ereditare) cat si infectioase.Biologia prionilor, cu radacini in virologie, neurologie si neuropatologie, adevenit mai recent corelata cu disciplinele de biologie celulara si moleculara, ca side chimie a proteinelor. Cunoasterea exacta a modalitatilor de multiplicare aprionilor si de producere a bolii vor deschide cu siguranta noi perspective inbiochimie si genetica.

70

CIUPERCI MICROSCOPICE

Ciupercile microscopice sunt denumite şi mucegaiuri – grupul fungi – microorganisme de tip eucariot cu un corp (tal) alcătuit din: organ vegetativ filamentos + organe reproducătoare specializate diferenţiate în funcţie de gen şi specie.

Organul vegetativ este filamentos, unicelular/pluricelular –format din hife (miceliu)

Înmulţirea se face prin sporulare – sporii fiind asexuaţi/sexuaţi.Răspândirea în natură:Rezervor natural – solul- vehiculaţi prin curenţii de aer.Straturile superficiale ale solului – organisme aerobe – degradarea materiei

organice moarte – saprofit – degradare prin echipament enzimatic complex.Substanţele organice macromoleculare (celuloza, hemiceluloza, proteinele,

lipidele) – întreţinerea circuitului natural al carbonului în natură – compuşi cu moleculă mai mică care pot fi sursa de hrană pentru alte organisme (bacterii) – humus.

În apă se întâlnesc accidental. Bolile se numesc micoze – paraziţi la plante şi animale, a a de exemplu, mana, rugina, tăciunele, aspergiloza la animale, candidoza laș animale şi om.

ORGANIZAREA CELULARĂ A CIUPERCILOR MICROSCOPICE

Corpul ciupercilor microscopice se numeşte tal, putând fi uni/pluricelular.Organul vegetativ filamentos = miceliu, ajută la absorbţia substanţelor nutritive

din mediul exterior – celule filamentoase (hife) ramificate în jurul sporului germinat (ø = 1 – 1,5μm).

Forma miceliului:- înmugurit/pseudomiceliu → drojdii + fungi imperfec i şi muguri aderenţi cuț

aspect de coroană- propriu-zis/adevărat – tuburi miceliene ramificate:

nesegmentat – unicelurar - celulă uriaşă = miceliu cenolitic, la clasa Phycomicetes

segmentate - pluricelular – hife din celule alungite cu pereţi despărţitori cu por şi nuclei în număr caracteristic fiecărei specii, de exemplu la clasele Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.

Partea reproducătoare – con ine organe sporifere formate din elemente celulareț diferenţiate pentru producţia de spori.

Tipuri de spori:- perfecţi, obţinuţi pe cale sexuată la fungii perfecţi, clasa Eumycetes- imperfecţi, obţinuţi pe cale asexuată – organe de propagare la toţi fungii.

Structura celulară

70

Prezintă caracteristici comune eucariotelor la care se adaugă altele specifice:- perete celular – con ine de β – glucoză în cantitate mareț- membrană plasmatică aderentă de citoplasmă- nucleul – formă sferică/ovoidală (ø = 1-2μm) – număr mic de cromozomi cu 2

sau mai mulţi nuclei.- incluzii de glicogen, granule de amidon, picături de grăsime

Dinamica procesului de creştere

Punctul de plecare este sporul care dezvoltă → hife submerse + hife absorbante + hife de extindere → în final, hife aeriene cu aspect pufos, lânos, catifelat.

Miceliul se dezvoltă sub formă de raze – aspectul fungilor fiind de colonii extinse cu filamentele tinere spre exterior, iar cele bătrâne şi/sau moarte în centru.

Spre final, se dezvoltă organele de reproducere, iar sporii sunt pigmentaţi în culoarea caracteristică.

Caracteristici generale

fungii au echipament enzimatic complex – degradează orice substanţă organică

temperatura optimă este de 25-28oC, dar rezistă până la 90oC xerofite, se adaptează la condi ii cu apă liberă în cantitate micăț pH = 1-11, dar la valoarea de 5 este optim majoritatea sunt aerobe, o mică parte sunt microaerofile şi facultativ anaerobe pigmenţii sunt intracelulari şi extracelulari produc exotoxine (toxine care migrează în afara microorganismelor şi

îmbolnăvesc plantele, animalele şi omul)

70

ECOLOGIA ȘI IMPLICĂRILE MICROORGANISMELOR ÎN NATURĂ ȘI ÎN ACTIVITĂȚILE UMANE

RĂSPÂNDIREA MICRORGANISMELOR ÎN NATURĂ

Se poate preciza de la bun începul faptul că microrganismele au o mare capacitate de adaptare la condi ii extreme de via ă, incomensurabil mai mare decât a altor specii.ț ț Acest aspect este justificat de posibilitatea microrganismelor de a utiliza nutrien iț inacesibili altor specii, a a de exemplu azotul molecular sau hidrocarburile.ș

În sens evolu ionist, ț microrganismele au perfec ionat structuri func ionale care leț ț facilitează răspândirea în mediu, precum sunt sporii în aer, cilii sau flagelii în apă sau caracterele de patogenitate. De asemenea au o capacitate rapidă de multiplicare în număr considerabil într-un timp foarte scurt putând coloniza noi habitate.

Distribu ia microrganismelor în mediu este influen ată de particularită ileț ț ț biotopului, a a de exemplu, bacteriile halofile sunt adaptate apelor sărate, bacteriileș sulfuroase fotosintetizante anaerobe – ape stătătoare, bacteriile sulfuroase anaerobe- ape sulfuroase stătătoare, bacteriile sulfuroase aerobe-a ape sulfuroase cu turbiditate mare.

Practic, răspândirea microrganismelor în natură este ubicvitară în toate mediile, aesr, sol, apă , biotă, având bineîn eles asigurate condi ii favorabile de via ă (hranăț ț ț asimilabilă, t , umiditate, pH, etc),dar i condi ionată de unii factori de mediu, cum suntᵒ ș ț curen ii de aer, curen ii marini sau animalelle migratoare.ț ț

Microflora habituală, care populează un habitat la un moment dat este încadrată în două tipuri, autohtonă, întâlnită în mod obisnuit, i alohtonă, reprezentătă de specii deș microorganisme care nu frecventeză un habitat decât în anumite circumstan e. Primaț categorii de speciise identifică u or întrucât microorganismele sunt fixate pe roci, planteș sau animale.

Diversitatea speciilor de microorganisme este influen ată de bogă ia în substan eț ț ț nutritive, popula iile fiind abundente i heterogene în medii bogate din punct de vedereț ș nutri ional sau reduse numeric, formate dintr-o singură specie în cazul mediilor sărace înț hrană.

FACTORII DE MEDIU ŞI ACTIVITATEA MICROORGANISMELOR

Factorii de mediu (ecologici) sunt factori abiotici care influen ează dezvoltarea,ț activitatea fiziologică şi înmulţirea microorganismelor.

Cunoaşterea relaţiei microorganism – factori de mediu conferă oportunitate în dirijarea activităţii lor fiziologice → activităţi dorite/stoparea activităţii lor.

Fiecare factor de mediu declanşează un răspuns specific reprezentat grafic printr-o valoare optimă, o valoare minimă şi una maximă.

Clasificarea factorilor de mediu:- factori fizici: temperatura, umiditatea, radiaţiile, presiunea atmosferică- factori chimici: pH, potenţialul de oxidoreducere, efectul faţă de substanţele

chimice

70

1. Temperatura – microorganismele au exigenţe diferite cuprinse între 10 şi 105oC.

Tipuri de microorganisme: psihrofile (criofile, frigofile) – au un conţinut ridicat în lipide, capsula de

natură poliglucidică (colonii mucilaginoase) mobile, pot prezenta pigmenţi, biotopul este constituit din sol, ape reci şi aer. Ex. bacterii – (Pseudomonas, Achrobacter, Aerobacter, Alcaligenes )+ fungi – (Candida, Rhodotorula, Cladosporium, Penicillum, Geotrichum)

mezofile, sunt numeroase, în sol, apă, sunt macroorganisme homeotrofe, conduc la putrefacţie şi sumt patogene.

termofile, au un metabolism foarte rapid, modificări structurale la proteine şi enzime termostabile, în structura lor sunt prezente complexe termostabile (poliamide) formate din acizi nucleici cu procent ridicat în citozină, timină, Mg, Ca. Biotopul este constituit din izvoare termale, gunoi de grajd, sol (bacteriile Streptomyces thermophille, B. sthearothermophyllus, Cl. nigricans; fungi Candida tropicalis, Aspergillus fumigatus)

2. Umiditatea- cea din sol are cea mai mare importanţă, umiditatea redusă determină dezvoltarea mare a actinomicetelor şi fungilor; inhibă dezvoltarea microorganismelor (bacterii foarte sensibile – celulozolitice, nitrificatoare, fixatoare de azot). Seceta mare determină dezvoltarea redusă a microorganismelor, favorizând apari ia formelor de rezistenţă (chişti/spori) ex.ț actinomicetele – genuri eliminate; ex. Rhizobium, beijerinkia.

3. Radiaţiile -influenţa lor este corelată cu lungimea de undă.→radiaţiile ionizante, alfa, beta, gamma au fluxuri de electroni rapide, radicali

liberi în funcţie de doza de iradiere, au efecte letale, mutagene, de adaptare. →radiaţiile gamma au putere mare de penetrare, sunt utilizate în sterilizarea la

rece. Prezenţa oxigenului micşorează rezisten a microorganismelor la iradiereț tratamentele termice micşorează rezistenţa microorganismelor la iradiere bacteriile sunt mai sensibile decât fungii bacteriile Gram+ sunt mai rezistente decât cele Gram-. Expl.

Achromobacter este specia cea mai rezistentă Micrococcus radiodurans→ radiaţiile X – putere de penetrare mică, sterilizarea aerului→ radiaţiile UV – lungimea de undă = 136-4000Å, efectul antimicrobian maxim =

254nm întrucât distrug structura bicatenară a ADN – penetraţie mică în apă – 1cm – utilizate la sterilizarea apei potabile şi a aerului.

→ radiaţiile luminoase – lungimea de undă mai mare de 4000Å – efect pozitiv la fototrofe şi negativ la chimiotrofe.

→ultrasunetele au efect distructiv la mai mult de 16000Hz prin erupţia structurii celulare – sterilizarea lichidelor şi obţinerea produşilor intracelulari (enzime, toxine, proteine).

4. Presiunea hidrostatică este relevantă în mediul marin populat cu microorganisme barofile denitrificatoare, prin care nitraţii sunt reduşi în nitriţi în condiţii de anaerobioză

70

5. Presiunea osmotică influen ează microorganismele în func ie de cantitatea deț ț substanţă dizolvată în mediul celular şi mediul de cultură. Tipuri de microorganisme:

normale, cale care adoptă presiuni osmotice reduse osmofile, adoptă presiuni osmotice ridicate (concentraţii mari în glucide, ex.

bacteriile 15-40%, mucegaiurile şi drojdiile 70% halofile, adoptă presiuni osmotice ridicate (concentraţii mari de sare, ex.

Micrococcus, Diplococcus, Sarcina, Bacillus; bacterii nitrificatoare, denitrficatoare, protolitice, sulfobacterii în mări şi oceane)

osmotolerante, acceptă în general presiuni osmotice ridicateMicroorganismele au dezvoltare optimă la presiune osmotică intracelulară egală

cu presiunea osmotică a mediului.Mucegaiurile au sensibilitate mare, excepţie făcând Aspergillus şi Penicillum.

6. Fenomenul de adsorbţie este influen at de natura chimică a substanţelorț (legături ionice, forţe van der Waals) proprietăţile unor celule ale microorganismelor (încărcarea electrică, sinteza de substanţe gumoase).

- argilele, au suprafeţe absorbante ideale prin rugozitatea particulelor foarte mici şi prezenţa cationilor. De natura cationilor depinde calitatea microorganismelor. Ex. Azotobacter se absoarbe foarte bine în soluri saturate în Fe3+ şi Al3+.Efectele absorbţiei: modificarea pH-ului, scăderea vitezei de difuzie a ionilor,

concentrarea substanţelor nutritive (organice, biologic-active, toxine, antibiotice, vitamine).

MICROFLORA AERULUI

Sursele de microorganisme pentru aer i ș caracteristicile lor sunt: Solul, apa i macroorganismele vegetale i animale, microorganismele fiindș ș

înglobate în substan e organice, diseminate de agen i fizici, mecanici iț ț ș biologici;

Microorganismele supravie uiesc temporar, nemultiplicându-se în acestț mediu;

Rol de vehicul la distan e diferite prin inetrmediul curen ilor de aer;ț ț Microorganismele sunt transportate sub formă de agregate celulare aderente

de particulele de praf sau picăturile de apă, fiind deplasate de convec iaț termică i turbulen a maselor de aer.ș ț

Densitatea i numărul microorganismelorș variază în func ie de altitudine, fiindț întâlnite până la înăl imea de 12000m, densitatea fiind invers propor ională cuț ț înăl imea, numărul cel mai mare de microorganisme se găse te în jurul altitudinii de 500ț ș m, fiind influen ate de frig, radia ii ultraviolete i umiditate relativă scăzută. ț ț ș

Numărul microorganismelor este mare la nivelul spe iului aerian aferent ora elor,ț ș spre deosebire de zonele alpine unde este foarte mic. În comunită ile umane numărul iț ș densitatea microorganisme fluctuează în func ie de densitatea popula iei.ț ț

70

Tipurile de microorganisme din aer sunt reprezentate de specii saprofite, patogene i condi ionat patogene. Se consideră că circa 20% din bolile de naturăș ț infec iosă sunt transmise pe calea aerului. Reprezentan i cei mai frecvent întâlni i suntț ț ț încadra i în genurile Staphylococcus, Sarcina sau Micrococcus. ț

Factorii care influen ează via a microorganismeloț ț r din aer sunt reprezenta i de:ț• Temperatură-temperaturile din sezonul cald de primăvară i vară permitș dezvoltatea exponen ială a microorganismelor, pe de altă parte, iarna microorganismeleț sunt în număr mai redus din cauza temperaturilor neprielnice devzoltării microorganismelor;• Luminozitatea este un alt factor limitator pentru dezvoltarea microorganismelor întrucât radia iile ultraviolete au rol distructiv pentru celula acestora;ț• Nebulozitatea este un factor stimulator vaporii pentru dezvoltarea microorganismelor, vaporii de apă în cantitate mare favorizându-le;• Speciile de microorganisme inzestrate cu forme de rezisten ă se sunt prezente înț număr mai mare în acest mediu.

Importan a microorganismelorț din aer rezidă din faptul că acestea constituie un însemnat vehicul al agen ilor etiologici ai unor boli cu transmitere prin aer cum ar fiț tuberculoza, difteria, antraxul, virozele respiratorii (gripele animalelor i omului),ș encefalopatiile, rujeola,varicela, micozele.

De asemenea, aerul contribuie la realizarea poluării microbiologice, prin răspândirea microorganismelor de degradare, a căror ac iune păgubitoare este evidentă înț multe domenii economice (industria alimentelor, furajelor, lemnului, etc).

Având în vedere aceste aspecte, controlul microbiologic al aerului este un parametru util în diagnosticul epidemiologic servind la stabilirea din punct de vedere igienic a poten ialului de transmitere patogenă aerogenă a unor boli, fiind de aceeaț frecvent aplicat spa iilor închise. ț

MICROFLORA APEI

În ceea ce prive te acest mediu vital vie ii, sursele de microorganismele suntș ț prezente aici direct propor ional cu con inutul în substan e organice i anorganice din apă.ț ț ț ș

Densitatea i numărul microorganismelor ș în func ie de ț provenien aț sursei de apă pot fi descrise astfel:

Apă freatică - teoretic pură (sterilă) întrucât microorganismele sunt absente;

Apă de izvor - poate să con ină până la 20 microorganisme/cm3 ca urmareț a însămân ării prin contactul direct cu straturile superficiale ale solului iț ș atmosferei;

Apă de râu – în acest tip de apă se află o microfloră permanentă i o altaș accidentală provenită din cadavre i dejec ii; microorganismele patogeneș ț din această apă se reduc numeric prin dilu ie progresivă în func ie deț ț debitul acestor râuri, de asemenea scad progresiv i din cauza rezisten eiș ț diminuate fa ă de ace ti noi factori de mediu diferi i de cei naturali aiț ș ț gazdei purtătoare parazitată (temperatură, resurse nutritive, exigen eț respiratorii)), concuren ă cu microorganismele autohtone, consumul deț

70

către bacteriofagi i protozoare sau efectul bactericid al ultravioletelor, cuș alte cuvinte apele de acest tip oferă condi ii vitrege microrganismelorț alohtone (străine), precipiat iile abundente conferind posibilită iț ț remarcabile privind cre terea numerică a microorganismelor din apa de râu;ș

Apa lacurilor – asigură ca urmare a turbidită i reduse stratificareaț orizontală i verticală a microorganismelor, existând un număr mai mare deș micorcelule la malul acesora, în sedimente, la temperaturi ridicate, aceste ape fiind mai cuarte din punct de vedere microbiologic decât cea de râu, reprezentată sute de milioane microorganisme/g;

Apa mărilor i oceanelor –ș este reprezentată de microorganisme adaptate la presiuni osmotice i hidrostatice ridicate pentru a degrada materiaș organică, reparti ia acestora fiind realizată pe verticală, abunden a lor fiindț ț maximă până la adâncimi de 75 cm, reprezentate de bacterii halofile iș criofile, Marea Neagră reprezentă o excep ia în această privin ă, întrucâtț ț densitatea i numărul maxim de microorganisme este întâlnit la adâncimeaș de 180-200 m adâncime, în zona cu hidrogen sulfurat în concentra ii mari,ț aici fiind prezente bacteriii sulfuroase, sulfatreducătoare sau reducătoare;

Apa de ploaie - în special, în regiunile poluate urbane este o sursă importantă de microorganisme spre deosebire de zonele nelocuite;

Apa fecaloid-menajeră – este o apă cu un con inut foarte mare înț microorganisme (1012 microorganisme/cm3) multe din specii fiind enterobacterii de tip coli.

Tipurile de microorganisme din apă sunt reprezentate de bacterii aerobe, facultativ anaerobe i strict anaerobe. A a de exemplu, sunt prezente microorganismeleș ș acvatice cromogene (Sarcina aurantică, sarcina lutea, Chromobacterium violaceum, Pseudomonas fluorescens).

De asemenea, întâlnim microorganisme organotrofe saprofite cu rol proteolitic, amonificator, nitrificator, denitrificator, fixatoare de azot i sulfobacterii. ș

Bacteriile patogene sunt i ele uneori prezente, fiind surse primare de îmbolnăvireș pentru oameni i animale cu germeni din genul Salmonella (S. typhi - febra tifoidă),ș Shigella (dizenteria), Corynebacterium (difteria), etc.

Eschericia coli este o bacterii cu un rol aparte, de indicator microbiologic al calită ii apei.ț

Importan a microorganismelor din apă este reflectată de mai multe aspecte, astfel:ț1) Procesul de autopurificare a apei care constă în degradarea substan elor organiceț

adsorbite de diferite particule în suspensie sau sedimentate în mâl ajunse acolo prin poluare chimică sunt degradate de microorganisme prin procese de putrefac ie i mineralizare în substan e mai simple. Aceste substan e servesc laț ș ț ț rândul lor de hrană altor microorganisme (biomasă), autopurificarea realizându-se în două faze:

Faza de reducere este prima din faze cronologic vorbind, fază în care sunt active procesele anaerobe;

Faza de oxidare este faza în care sunt activate procesele aerobe, au loc oxidări intense, substratul organic scade cantitativ, în acela i ritmș reducându-se i multiplicarea microbiană realizându-se autopurificare aș

70

apei, preces definitivat de ac iunea bacteriofagilor. Acest proces esteț utilizat cu succes în fluxul tehnologic al sta iilor de epurare.ț

2) Productivitatea ecosistemelor acvatice este un important parametru în mediile acvatice, microorganisme fiind o importantă sursă de hrană pentru protozoare iș metazoare, consumatori de ordinul I, care constituie la rândul lor hrană pentru alte categorii de cunsumatori.

3) Procesul de mineralizare constă în transformarea în elemente biogene a unor elemente chimice aflate sub formă de sedimente de fier i zăcăminte de petrol.ș

4) Importan ă igienică privind potabilitatea apei prin aprecierea calită ii apei pe bazaț ț următorilor indici bacteriologici:

NTG reprezintă numărul total de germeni, fiind o metodă folosită la determinarea bacteriilor mezofile i organotrofe, acestea fiind cuprinse înș intervalul 10-10000 microorganisme/cm3.

Numărul bacteriilor coliforme reflectă prezen a bacteriilor de origineț intestinală, E. coli fiind bacteria cea mai monitorizată dintre acestea datorită rezisten ei mari în apă prin două tipuride teste:ț

IC (indexul colic) care reprezintă numărul probabil de coliformi/l apă, de exemplu apa potabilă are valori între 3-10/l apă; TC (titrul coli) reprezintă cantitatea cea mai mică de apă în care se admite prezen a E.coli, acesta fiind egal cu 300cm3 la o apă cu IC=3. ț

Poluarea microbiologică a apei Procesul de poluarea microbiologică a apei este realizat de două tipuri de poluan i, astfel:ț

1) Poluan ii primari sunt microorganisme de origine terestră sau aerianăț deversate în diferite ape de suprafa ă, contribuind la impurificarea lor, a a cumț ș se întâmplă cu unele bacterii de tip intestinal, virusuri i drojdii patogene.ș

2) Poluan i secundari sunt microorganisme autohtone obi nuite care contribuie laț ș impurificare apelor prin proliferări intense, modificând caracterele organoleptice ale acestora (gust, miros, culoare). Aceste microorganisme sunt reprezentate de:

a) Bacterii saprofite acvatice-foarte utile pentru că degradează substan eleț organice poluante, a a de exemplu, ș ferobacteriile dezvoltate pe substraturi dure sau macrofite, care pot determina i coroziuneaș biologică a conductelor; sulfobacteriile din apele sulfuroase capabile să corodeze metalele, lemnul, ceramica, cauciucul, asfaltul; bacteriile mucilaginoase prezente în mâlul organic sub formă de agregate de filamente, capabile să colmateze filtrele i să obtureze conductele.ș

b) Fungii sunt microorganisme prezen i în ape cu substan e organice înț ț cantitate mare, putând afecta i chiar distruge plantele acvatice, branhiileș pe tilor i chiar fauna bentonică, determinând mirosul i gustul neplăcut alș ș ș apei, iar pe de altă parte diseminându-se prin sporii care traversează filtrele din re eaua de apă potabilă.ț

MICROFLORA SOLULUI

70

Microorganismele se pot găsi la mii de metri adâncime în ocean, la câțivametri în pământ sau chiar pe stânca goală in desert. Dezvoltarea lor depinde deconditiile de nutritie si de ceilalti factori ai mediului extern.

Masa de bacterii este raspandita neuniform in sol, astfel ca, pornind de lastraturile superioare catre adancime, numarul microorganismelor devine tot maimic. Dar nici microflora nu mai este aceeasi, ea modificandu-se in diferite stadii demineralizare: la inceput bacterii asporogene, apoi sporogene.

Astfel, in ordinea succesiunii apar urmatoarele grupe de bacterii:a. Bacterii nitrificatoare - genul Nitrobacterb. Bacterii denitrificatoare - Bacterium denitrificans, Bacterium fluorescensc. Bacterii fixatoare de azot - genul Azotobacter, Clostridium pasteurianumd. Bacterii ce se gasesc in nodozitati - Rhizobium phaseolus; la plantele leguminoase Rhizobium leguminosarume. Bacterii de putrefactie - Bacillus sporogenesf. Bacterii butirice - Clostridium butyricumg. Bacterii sporogene - Bacillus mycoides, Bacillus mesentericus

INTERACȚIUNILE DINTRE POPULAȚIILE DE MICROORGANISME

Majoritatea habitatelor naturale sunt populate de un număr mare de specii de microorganisme.

Criterii de clasificare a interac iunilorț dintre popula iile de microorganisme suntț următoarele:1.Localizarea i modul de existen ă al microorganismelorș ț reprezentate de:

• Comensalism • Simbioză• Parazitism• Prădare

2. Rezultatul asocierii manifestat ca: • Indiferent (neutralism/mutualism)• Benefic (cooperarea)• Dăunător (antagonism)

3. Gradul de dependen ăț al speciilor de microorganisme participante:• Accidental• Facultativ• Obligatoriu

În comunită ile biologice complexe ț func ionează mai multe interac iuniț ț concomitent sau chiar toate interac iunile amintite anterior.ț

Interac iunile ț (+) măresc ansele dezvoltării popula iilor beneficiare, iar pe de altăș ț parte interac iunile ț (-) scad sansele dezvoltării popula iilor sensibile. ț

Importan a acestor ț interac iuni este reflectată în mecanismul de autoreglareț numerică cu efect ecologic benefic, prin care se împiedică suprapopularea habitatelor iș extinderea unor specii nedorite într-un anumit biotop.

70

RELAŢII ECOLOGICE ALE MICROORGANISMELOR

In natură, diferite microorganisme nu trăiesc izolat. Trăind in acelaşi habitat mai multe specii, între ele se stabilesc interrelaţii complexe şi deosebit de importante.

Mai ales în sol şi apă ele formează microbiocenoze. În timpul activităţii lor, ele intră în corelaţie unele cu altele, atât între ele, cât şi cu plante sau animale. Corelaţiile sunt foarte variate şi complexe.

RELAŢIILE DINTRE MICROORGANISME

Coexistenţa microorganismelor poate duce la diferite tipuri de interrelaţii: sinergice – interrelaţii pozitive antagonice – interrelaţii negative indiferenta – interrelaţii neutre.

Pe măsură ce numărul de microorganisme prezente într-un habitat creşte, şansele ca unul din aceste microorganisme să afecteze profund creşterea celuilalt scade, deoarece probabilitatea unei interacţiuni eficace între două microorganisme este mai mică.

INTERRELAŢII DE NEUTRALISM

Acest tip de interrelaţii apar în cazul când în acelaşi habitat întâlnim microorganisme cu necesităţi nutriţionale total diferite, astfel încât ele să nu intre în competiţie pentru acelaşi substrat nutritiv.

Asocierea este lipsită de influen e reciproce considerabile, apare în condi ii deț ț mediu nefavorabile cre terii active, având importan ă .ș ț

Interrelaţiile apar atunci când în acelaşi habitat întâlnim microorganisme cu necesităţi nutriţionale total diferite, motiv pentru care nu intră în competiţie pentru acelaşi substrat nutritiv.

INTERRELAŢII SINERGICE

Sunt relaţii benefice uneia sau tuturor părţilor participante. Astfel două sau mai multe specii de microorganisme pot coopera în procese unde o singură specie nu ar putea atinge rezultatele scontate. Aceste interrelaţii se întâlnesc în diferite forme şi grade de manifestare.

– Relaţii de comensualism

Comensalismul este un tip de interrelaţie între două microorganisme în care numai unul dintre parteneri beneficiază, în timp ce celălalt nu este afectat.

Relaţia este numită şi metabioză, adică succesiunea dezvoltării unor microorganisme pe seama activităţii altora. Astfel unele dintre ele creează condiţii favorabile de viaţă pentru altele. Asocierea se explică prin faptul că unii dintre parteneri elaborează substanţe care favorizează dezvoltarea celorlalţi parteneri.

70

Acest tip de interrelaţie poate îmbrăca mai multe aspecte, în funcţie de modul de acţiune al unuia dintre parteneri.

Un microorganism poate modifica proprietăţile fizico-chimice ale habitatului creând condiţii favorabile dezvoltării altui microorganism. (Exp. Bacteriile anaerobe se pot dezvolta pe diferite produse numai datorită acţiunii bacteriilor aerobe care consumă oxigenul vătămător pentru ele. Drojdiile osmofilele se dezvoltă în concentraţii mari de zahăr. În urma oxidării şi fermentării acestuia, presiunea osmotică a soluţiei scade şi permite dezvoltarea drojdiilor neosmofile. În infecţia secundară cu agenţi patogeni la animale şi plante, un microorganism patogen primar pregăteşte calea altui microorganism patogen secundar).

Un microorganism poate modifica substratul nutritiv făcându-l accesibil altui microorganism. (Exp. Microorganismele care descompun substanţele proteice şi determină alterarea alimentelor, creează posibilitatea dezvoltării microorganismelor care utilizează produsele de dezagregare ale proteinelor şi care sunt incapabile să descompună proteinele. Drojdiile, în procesul de fermentaţie, transformă zahărul în bioxid de carbon. Pe acest mediu, în care se găseşte alcool etilic, se dezvoltă bacteriile acetice. Acestea transformă alcoolul în acid acetic, care mai departe poate să fie oxidat de mucegaiuri în bioxid de carbon şi apă). Bacteria Nitrobacter trăieşte în asociere cu Nitrosomonas care îi furnizează nitriţii necesari în nutriţie. Bacteriile celulozolitice hidrolizează celuloza pâna la monozaharide, acizi organici şi alcooli asimilabili folosiţi ca sursă energetică de către Azobacter).

Un microorganism produce un metabolit sau factor de creştere esenţial pentru un alt microorganism. (Exp. Desulfovibrio desulfuricans reduce sulfaţii la hidrogen sulfurat, care va fi oxidat aerob sau anaerob de bacteriile sulfuroase nepigmentate sau de cele fotosintetizante. Metanobacteriile produc, în anaerobioză, metan care va fi oxidat în anaerobioză de bacteriile metanooxidante. Unele microorganisme din sol secretă acizi aminici şi vitamine cu rol de factori de creştere pentru alte bacterii din sol).

Un microorganism distruge sau neutralizează un factor chimic nociv pentru un alt microorganism. (Exp. Biodegradarea bacteriană şi fungică a fenolilor, acidului benzoic şi antibioticelor face posibilă dezvoltarea unor microorganisme sensibile la aceste toxine).

– Relaţii de mutualism

Mutualismul sau simbioza nutriţională, reprezintă interrelaţia în care fiecare dintre microorganismele implicate este avantajat. Acest tip de interrelaţie se deosebeşte de simbioza propriu-zisă prin faptul că nu este obligatorie şi permanentă.

De exemplu, acest tip de interrelaţie se poate manifesta în sinteza unui metabolit care nu este sintetizat de niciunul din microorganismele cultivate separat.

Cooperarea se poate referi fie la degradarea unor substanţe complexe, fie chiar la sinteza unor compuşi complecşi.

Asociaţiile bacteriilor Bacter ftizic şi Bacter morgan formează în prezenţa unor zaharuri, metaboliţi gazoşi, pe care niciuna din cele două specii nu-i produce în culturi izolate.

Cultivând împreună Mucor ramanianum şi Rhodotorula rubra este posibilă sinteza vitaminei B1, deoarece fiecare participant sintetizează altă parte a moleculei acestei vitamine.

70

Lactobacillus arabinosus nu poate creşte într-un mediu lipsit de fenilalanină, iar Streptococcus fecalis într-un mediu lipsit de acid folic. Crescute împreună, se dezvoltă bine chiar în medii lipsite de această substanţă deoarece fiecare bacterie sintetizează factorul de creştere necesar celeilalte.

– Relaţii de simbioză

Relaţia de simbioză este o relaţie de ajutor reciproc. Este deci un raport mutual favorabil între două unităţi de microorganisme diferite. Asocierea aceasta are scopul unor beneficii reciproce. Simbioza propriu-zisă presupune permanenţa relaţiei dintre parteneri, ei neputând exista independenţi.

De Bary este primul microbiolog care a formulat conceptul de simbioză prin care define te ș via a împreună ț la licheni.

Simbioza este în fapt o coabitare de lungă durată între două sau mai multe specii aflate în imediată apropiere, ceea ce conduce la ob inerea de beneficii reciproce.ț

Clasificarea simbiozelor se poate face după următoarele criterii:Tipul organismelor asociate: a) între două specii de microorganisme; b) între un

microorganism i un macroorganism.șLocalizarea microorganismelor asociate: a) ectosimbioze, caz în care

microorganismul este situat exterior celulelor sau esuturilor gazdei (bacteriile inclavateț în teaca gelatinoasă a cianobacteriilor sau la suprafa a frunzelor sau organelor luminoaseț la pe ti sau în cavită ile corpului); b) endosimbioze, apar i se dezvoltă atunci când unș ț ș microorganism în interiorul celulelor sau esuturilor gazdei ț

Gradul de dependen ăț : a) facultative atunci când sunt libere sau asociate în natură ( a a de exemplu, rela ia dintre bacteria Rhizobium i plante leguminoase esteș ț ș posibilă în func ie de cantitatea de N anorganic; b) ecologic obligate (a a de exemplu,ț ș rela iile dintre bacteriile i protozoarele din rumen-obligate ereditar; algele endosimbiote-ț șnevertebrate marine)

Natura rela ieiț : a)mutualistă- se produce atunci când ambele organisme participante se adaptează mai bine împreună; b) parazitară- se produce atunci când unul din parteneri este mai bine adaptat într-o asocia ieț

Condi iile de realizare a simbiozeițGrad de permanen ă în cea mai mare parte a vie ii organismuluiț țSpecificitate desemnată ca fiind capacitatea de recunoa tere reciprocă aș

simbion ilor, realizată pe baza complementarită ii particularită ilor partenerilor.ț ț țSemnifica ie ecologicăț -schimb de nutrien i i dispozitive comune de recunoa tere,ț ș ș

apărare i favorizarea prădării, a a de exemplu, transferul de materii organiceș ș fotosintetizate la heterotrofe.

Un caz interesant de simbioză este cel din chefir, o băutură acidulată din lapte, care este produsă prin simbioza între bacterii lactice şi drojdii. Acest produs conţine acid lactic, alcool şi bioxid de carbon. Drojdiile se dezvoltă în mod obişnuit în mediu acid, deci acidularea laptelui creează condiţii favorabile pentru rezvoltarea acestora. Drojdiile, consumând acidul lactic produs de către bacteriile lactice, favorizează dezvoltarea acestora, deoarece aciditatea ridicată le este vătămătoare. Pe lângă aceasta, drojdiile produc vitamine, de care bacteriile lactice au nevoie.

70

Relaţii de simbioză între bacterii şi drojdii se întâlnesc şi în aluatul de pâine, sau în bragă.

Simbioza se întâlneşte şi între bacterii şi protozoare, caz în care simbioza este intracelulară.

– Interrelaţii antagonice

Relaţiile de antagonism sunt raporturi între microorganisme în care dezvoltarea unei specii este stânjenită sau total împiedicată de dezvoltarea altei specii.

Acţiunea dăunătoare se poate datora unor mecanisme diferite: modificarea condiţiilor de mediu, competiţiei, elaborarea unor substanţe toxice sau inhibitoare, parazitismului, predatorismului.

– Antagonismul prin modificarea condiţiilor de mediu

De exemplu în sol, prin activitatea unor microorganisme rezultă cantităţi mari de bioxid de carbon care inhibă dezvoltarea altor microorganisme sensibile (Rhizobium). Bioxidul de carbon acidifică în acelaşi timp mediul eliminând microorganismele sensibile la pH acid (Azotobacter, Nitrosomonas, actinomicetele).

Scăderea potenţialului de oxido-reducere prin hidrogenul sulfurat produs de bacteriile sulfatoreducătoare elimină din mediu microorganismele aerobe.

– Antagonismul prin competiţie

În natură, substanţele nutritive se găsesc în cantităţi limitate, microorganismele intrând în competiţie pentru procurarea lor. Este deci o competiţie nutritivă.

PRINCIPII DE TAXONOMIE BACTERIANĂ

In acest capitol sunt prezentate:• notiuni privind clasificarea, nomenclatura si identificarea microorganismelor• nivele de clasificare• desemnarea numelui stiintific al speciilor• sistemul natural, filogenetic de organizare a lumii vii

70

Taxonomia se ocupa cu studiul clasificarii, nomenclaturii si identificariiorganismelor vii.

CARL VON LINNE', un botanist suedez, a fost cel care si-a dat seama deimportanta existentei unui sistem de recunoastere si definire a proprietatilororganismelor, stabilind reguli fundamentale pentru categoriile taxonomice sautaxoni. Sistemul lui Linne' a servit cu succes la incadrarea in categorii a celorpeste doua milioane de tipuri diferite de organisme descoperite ulterior.

Clasificarea este aranjarea ordonata a organismelor in grupe, preferabilintr-un sistem bazat pe relatii evolutive.

Nomenclatura este procesul de desemnare a numelor pentru diferiteleranguri taxonomice ale fiecarei specii de microorganisme.

Identificarea este procesul de descoperire si inregistrare a trasaturilororganismelor, asfel incat ele sa poata fi introduse intr-o schema taxonomicaglobala.

Toti acesti termeni se aplica in sistematica, ce reprezinta studiul diversitatiimicroorganismelor si al relatiilor intre ele.

NIVELE DE CLASIFICARETaxonii principali intr-o schema de clasificare sunt organizati in 7 ranguri

descendente, incepand cu un regn, cel mai mare si cel mai general, si terminandcu o specie, cel mai mic si cel mai specific.

Toti membrii unui regn au in comun numai una sau cateva caracteristicigenerale, in timp ce membrii unei specii au in comun majoritatea caracteristicilorlor, reprezentand toti acelasi fel de organism.

Intre nivelul superior si cel inferior, cei cinci taxoni in ordine descendentasunt reprezentati de: phylum (pentru animale si protozoare) sau diviziune (pentrubacterii, fungi, alge si plante), clasa, ordin, familie si gen.

Bacteriile sunt studiate, cu rare exceptii, nu ca indivizi, ci ca populatiiobtinute in laborator sub forma de culturi pure. Culturile pure pot fi mentinute instare viabila, subcultivate, supuse testelor experimentale si transportate de la unlaborator la altul.

Unitatea taxonomica fundamentala este specia bacteriana, care estedefinita dupa alte criterii decat la organismele superioare. Pentru bacterii nu existagranite strict naturale ale speciilor, nici separare geografica. Sub aspect practicspecia bacteriana poate fi considerata ca o colectie de alte tulpini.

Tulpina reprezinta unitatea practica de lucru, fiind formata din descendentiiunei singure izolari din mediu, in cultura pura.

Colonia reprezinta o aglomerare macroscopica de celule, care apare pe ozona bine delimitata a suprafetei mediului de cultura solid si provine dinmultiplicarea unei singure celule. Una dintre tulpinile speciei este desemnata catulpina tip si serveste ca tulpina purtatoare de nume pentru specie. Tulpinile tipale speciilor sunt depozitate in asa numitele colectii de culturi (colectii de tulpini).

De aici ele pot fi obtinute si utilizate ca tulpini de referinta pentru comparareadirecta cu izolatele noi in vederea identificarii lor corecte.

Genul bacterian este un grup taxonomic bine definit, alcatuit din specii, inmod clar separate de alte genuri.

DESEMNAREA NUMELUI STIINTIFIC AL SPECIILOR

70

Pentru desemnarea numelui stiintific sau specific este utilizat sistemulbinominal (cu doua nume) al nomenclaturii. Numele stiintific este intotdeauna ocombinatie a numelui de gen, urmat de numele de specie (epitetul specific). Initialagenului din numele stiintific este scrisa intotdeauna cu litera mare, iar a speciei culitera mica. Ambele nume sunt scrise cu caractere italice sau subliniate. Epitetulspecific se scrie cu initiala mica si nu se prescurteaza. Pentru denumirile stiintificese utilizeaza limba latina sau greaca. Numirea unui organism nou descoperit estesupervizata de un grup international de experti care verifica daca au fost urmateprocedeele standard si ca nu exista deja un nume dat anterior organismului sau unalt organism cu acelasi nume. Denumirea unui numar de specii a fost data dupanumele unui microbiolog care a descoperit microorganismul respectiv sau a aduscontributii importante in domeniu. Alte nume provin de la o particularitate amicroorganismului (forma, culoare), locul unde poate fi gasit sau boala pe care oproduce. Exemplificam cu cateva nume specifice:• Pseudomonas tomato - Gr. pseudo = fals; monas = unitate; tomato = fruct.Deci o bacterie care infecteaza tomatele.• Lactobacillus sanfrancisco - L. lacto = lapte; bacillus = bastonas mic. O specieutilizata in asociere cu o drojdie ( Saccharomyces exiguus) pentru fabricareaunui tip de paine din San Francisco.• Giardia lamblia - de la Alfred Giard, un microbiolog francez si Vilem Lambl, unmedic din Boemia, ambii cercetand micoorganismul, care determina o infectieintestinala severa.

SISTEMUL NATURAL, FILOGENETIC, DE ORGANIZARE A LUMII VII

Celebrul botanist Carl Linnaeus, in opera sa "Systema naturae" (1735) areunit toate microorganismele intr-un singur grup numit semnificativ "Chaos".Robert Whittaker a propus un sistem de organizare format din cinci regnuride baza:1. Procaryotae (Monera);2. Protista;3. Fungi;4. Plantae;5. Animalia.

Constituirea acestor regnuri se bazeaza pe: tipul si structura celulara,organizarea si tipul de nutritie.

Regnul Procaryotae - include organisme unicelulare de tip procariot. El cuprindebacteriile si are doua subgrupe principale: eubacterii - bacterii cu structuracelulara procariota caracteristica si archaebacterii - bacterii cu structura celularasi functii atipice.

Regnul Protista - contine cea mai mare parte a microorganismelor eucarioteunicelulare care sunt lipsite de tesuturi. El cuprinde alge microscopice care secaracterizeaza prin celule fotosintetizante si protozoare care sunt lipsite de peretecelular si se hranesc pe seama altor organisme prin ingestie.

Regnul Fungi - cuprinde organisme uni- sau multicelulare si uni- saumultinucleate, de tip eucariot. Celulele eucariote prezinta perete celular, nu suntfotosintetizante si isi dobandesc nutrientii prin absortie. El cupinde microfungi

70

(mucagaiuri si drojdii) si macrofungi.Regnurile Plantae si Animalia nu includ microorganisme, fiind reprezentate de

organisme macroscopice, multicelulare. Plantele sunt alcatuite din celule eucariotecu perete celular si sunt fotosintetizante. Celulele animalelor sunt lipsite de peretecelular, iar tipul de nutritie pentru acest regn este nutritia ingestiva.

Este important de retinut ca virusurile nu sunt incluse in nici o clasificare,ca o recunoastere a caracterului lor de agenti infectiosi care nu au echivalent inlumea vie.

CLASIFICAREA BACTERIILOR

Criterii de clasificare:

1. Tipul metabolic → în funcţie de necesităţile biochimice vitale:a) Autotrofe (fotoautotrofe);b) Heterotrofe (chimioautotrofe) – folosesc surse nutritive variate, fiind saprofite,

comensale sau parasite.2. Taxonomia bacteriilor → acţiune a sistematicii (ramura a biologiei) prin care

sunt ordonate diferite specii de microorganisme, asemănător plantelor sau animalelorDirecţii taxonomice:

- identificarea – deosebirea indivizilor unei specii pe baza caracterelor puse în evidenţă;- clasificarea → aranjarea ordonată a unităţilor de bază în unităţi mai mari cu însuşiri comune- nomenclatura – denumirea corectă a diferitelor unităţi;

Criterii de identificare a bacteriilor

a. Morfologice şi tinctoriale (microscopice) → forma celulelor, modul de grupare al bacteriilor, mobilitatea celulelor (cili), metoda de colorare (Gram, Ziehl-Neelsen, etc);

b. Fiziologice → proprietăţi fiziologice, pH, presiune osmotică, dependenţa faţă de O2, temperature optimă de dezvoltare;

c. Culturale → caractere coloniilor pe medii solide sau lichide (forma, culoare, structură)

d. Biochimice → acţiunea bacteriilor asupra unor substanţe chimice (glucoză, glicerină, substanţe proteice, cazeină, ser, albumină, gelatină, H2S, NO3, etc);

e. Patogenitate → virulenţa (agresivitatea sau puterea de îmbolnăvii gazdele specifice);

f. Antigenice sau serologice → proprietatea bacteriilor sau a toxinelor bacteriene (antigene) de a genera în organismul gazdei anticorpi specifici (imunoproteine) cu rol de aparare.

Clasificarea taxonomică a bacteriilor → distribuirea sau aşezarea în grupe ordonate ierarhic a bacteriilor în funcţie de înrudiri şi asemănări stabilite prin criterii ştiinţifice după caracterele morfologice, fiziologice, culturale,

70

biochimice, antigenice, tinctuorialitate, culoarea şi tipul coloniei sau a aspectului pe medii lichide, înmulţirea şi modul de sporulare, patogenitatea pentru animale, om sau plante.

Unitatea de bază a taxonomiei tuturor vieţuitoarelor este specia. Speciile sunt incluse prin clasificare în categorii de ordin superior :

• Familii;• Ordine;• Clase;• Încrengături;• Diviziuni;• Regn.

CLASIFICAREA TAXONOMICĂ A BACTERIILOR DUPĂ BERGEY

Regnul Procariota:

- Photobacteria;

- Scotobacteria:

• CLASA BACTERIA:

Ordinul Pseudomonales:• Familia Pseudomonaceae;• Familia Nitrobacteriaceae;• Familia Thiobacteriaceae;• Familia Spirillaceae.

Ordinul Eubacteriales:• Familia Azotobacteriaceae• Familia Rhizobiaceae• Familia Holobacteriaceae• Familia Achromobacteriaceae• Familia Baccilaceae• Familia Enterobacteriaceae• Familia Microccocaceae• Familia Lactobacillaceae• Familia Propirenibacteriaceae

Ordinul Actinomycetales:

70

• Familia Mycobacteriaceae• Familia Actinomycetaceae• Familia Streptomycetaceae• Familia Corynebacteryaceae

Ordinul Chamydobacteriales:• Familia Chamydobacteriaceae• Familia Beggiatoaceae

Ordinul Ricketsiales:• Familia Ricketsiacae

Ordinul Myxobacteriales:

• Familia Myxobacteriaceae

Ordinul Chaulobacteriales:• Familia Chaulobacteriaceae

Ordinul Spirochetales:• Familia Spirochetaceae

RELAȚIILE MICROBIOLOGIEI CU MEDIU

ROLUL MICROORGANISMELOR IN NATURA

Microorganismele au un rol important in solubilizarea elementelor mineraleindispensabile vietii plantelor: calciu, fosfor, potasiu. Se creaza astfel un circuit al

70

diferitelor elemente: carbon, azot, fosfor, sulf.Circuitul carbonului - este destul de complex, cuprinzand o serie de etape

principale. Pe scurt, acest proces se desfasoara astfel: in aer exista CO2 care estesingura sursa de carbon pentru plantele verzi.; in cloroplastele frunzelor, cuajutorul energiei solare, CO2 este transformat de catre microorganisme in compusiorganici complecsi: glucide, lipide si protide, proces conditionat de existenta uneicantitati suficiente de CO2 in atmosfera.

Circuitul azotului - azotul intra in compozitia tuturor organismelor vii,transformarile compusilor organici cu azot cuprinzand urmatoarele etape:• amonificarea - faza in care sub actiunea microorganismelor (bacterii,mucegaiuri, actinomicete), compusii organici azotosi sunt transformati incompusi minerali cu azot si saruri de amoniu;• nitrificarea - a doua faza de transformare legata de oxidarea amoniacului, lainceput in acid azotos si apoi in acid azotic. Este procesul biologic cel mairaspandit in sol si de mare importanta pentru agricultura, deoarece planteleutilizeaza azotul sub forma de nitrati. Are loc sub actiunea a doua grupe demicroorganisme, numite generic " bacterii nitrificatoare ":- prima etapă, cu obtinere de acid azotos, se realizeaza de catre bacteriilenitroase, NITROSOBACTERII (genul Nitrosomonas, genul Nitrospira, genulNitrosocystis);- a doua etapa, cu obtinere de acid azotic, se realizeaza de catre bacteriilenitrice, NITROBACTERII (genul Nitrobacter).• denitrificarea - a treia faza in care sarurile azotate sunt reduse la azotmolecular, sub actiunea microorganismelor: Bacillus subtilis, Bacillusmycoides, Bacterium denitrificans, Pseudomonas denitrificans, Thiobacillusdenitrificans.• fixarea azotului molecular - ultima veriga, care duce la imbogatirea solului inazot, fenomen foarte important, determinat de faptul ca plantele verzi nu potasimila singure azot atmosferic. Astfel, prin acest proces, se mentine echilibrulin azot. Fixarea azotului molecular se face cu ajutorul bacteriilor fixatoare deazot nesimbiotice si simbiotice.

Dintre bacteriile fixatoare de azot nesimbiotice fac parte:- genul Azotobacter - aerobe - (A. agilis, A. vinelanolii, A. nigricans)- genul Clostridium - anaerobe - (C. pasteurianum, C. butyricum, C.naviculum)- genul Pseudomonas - (P. fluorescens, P. radiobacter)

Dintre bacteriile fixatoare de azot simbiotice fac parte cele din genul Rhizobium:(R. phaseoli, R. trifoli, R. japonicum, R. meliloti, R. lupini, R. leguminosarum)Aceste bacterii simbiotice se gasesc in nodozitatile plantelor leguminoase:fasole, soia, mazare, lucerna, trifoi, aceste plante fiind numite " plante prima etapă, cu obtinere de acid azotos, se realizeaza de catre bacteriilenitroase, NITROSOBACTERII (genul Nitrosomonas, genul Nitrospira, genulNitrosocystis);- a doua etapa, cu obtinere de acid azotic, se realizeaza de catre bacteriilenitrice, NITROBACTERII (genul Nitrobacter).• denitrificarea - a treia faza in care sarurile azotate sunt reduse la azot

70

molecular, sub actiunea microorganismelor: Bacillus subtilis, Bacillusmycoides, Bacterium denitrificans, Pseudomonas denitrificans, Thiobacillusdenitrificans.• fixarea azotului molecular - ultima veriga, care duce la imbogatirea solului inazot, fenomen foarte important, determinat de faptul ca plantele verzi nu potasimila singure azot atmosferic. Astfel, prin acest proces, se mentine echilibrulin azot. Fixarea azotului molecular se face cu ajutorul bacteriilor fixatoare deazot nesimbiotice si simbiotice.ceimbogatesc solul in azot".

Circuitul sulfului - proces cu obtinere de acid sulfuric, este important prin faptulca formarea H2SO4 usureaza trecerea sarurilor minerale in stare solubila, crescandastfel cantitatea de compusi minerali accesibili plantelor. Procesul este produs desulfo-bacterii si tiobacterii.

Circuitul fosforului - se realizeaza in trei etape:• mineralizarea fosforului organic prin trecerea in fosfati - are importantadeoarece compusii organici cu fosfor nu pot fi utilizati de catre plante;• "mobilizarea fosforului" - se face prin actiunea bacteriilor nitrificatoare, atiobacteriilor;• reducerea fosfatilor de catre bacteriile anaerobe, cu formare de acid fosforos,acid hipofosfor si hidrogen sulfurat.

Acest proces duce la pierderea unor fosfati, elemente nutritive pentru plante;poate fi evitat printr-o aeratie buna a solului. In acest sens, se poate folosi unpreparat cu bacterii, care imbunatateste nutritia cu fosfor a plantelor. Preparatul senumeste "Fosfobacterin" si transforma fosforul din compusii organici in formaminerala.

Circuitul fierului - fierul intra in constitutia tesuturilor vegetale sub forma decompusi organici. Dupa moartea plantelor, prin diverse procedee de fermentareconduse de microorganisme, compusii organici sunt mineralizati si apoi oxidati decatre bacterii in fier feric, Fe3+, care poate fi din nou folosit de catre plante. Astfel,se realizeaza circuitul complet al fierului.

ROLUL MICROORGANISMELOR ÎN CIRCUITUL NATURAL AL CARBONULUI

Dintre elementele chimice biogene carbonul este cel mai important deoarece intră componenţa tuturor substanţelor organice. Circuitul carbonului se realizează printr-o mare diversitate de mecanisme, care comportă patru etape principale:

• Organizarea şi încorporarea carbonului mineral în materia vie,• Utilizarea substanţelor organice de consumatorii primari şi secundari,• Descompunerea sau mineralizarea substanţelor organice cu degajare de

CO2,• Constituirea rezervelor de carbon organic şi mineral sub formă de humus

sau de depozite geologice.

70

Microorganismele intervin în menţinerea unui echilibru între încorporarea bioxidului de carbon în substanţe organice (fotosinteză, chimiosinteză, asimilaţie la animale) şi procesele de mineralizare care îl restituie atmosferei (fig. 55)

Fig.55 – Schema circuitului biogeochimic al carbonului

Cantitatea cea mai mare de carbon din natură se află sub formă de CO2, care provine din erupţii vulcanice, prelucrări industriale sau ca produs de catabolism al organismelor vii. Rezervorul carbonului este atmosfera unde acest element se găseşte sub formă de CO2 în proporţie de 0,032%.

Circuitul carbonului este întreţinut de două procese contradictorii: fotosinteza care scoate carbonul din rezervor şi-l fixează şi respiraţia care restituie bioxidul de carbon atmosferei. Fotosinteza este întotdeauna mai mai intensă decât respiraţia. Circuitul carbonului nu se compensează exact. Carbonul nerestituit imediat prin respiraţie, intră în formarea biomasei în cadrul ciclurilor trofice. În felul acesta, întoarcerea sa în atmosferă este încetinită. Restituirea sa atmosferei se face prin descompunerea microbiologică – mineralizarea materiei organice moarte de origine vegetală şi animală. Cantitativ, această restituţie prin mineralizarea substanţei organice reprezintă 90% din cantitatea total de bioxid de carbon restituit atmosferei. O parte din substanţele organice ies pentru un timp din circuitul intern al carbonului şi se depozitează ca zăcăminte de combustibil organici şi zăcăminte de carbonat de calciu. Mobilizarea din aceste zăcăminte se face de obicei fără intervenţia microorganismelor, cel mai frecvent prin activitate antropogenă.

ÎNCORPORAREA CARBONULUI MINERAL ÎN MATERIA VIE

În natură, carbonul mineral se găseşte sub formă de CO2, bicarbonaşi şi carbonaţi. CO2 din atmosferă este consumat permanent de plantele verzi în procesul de fotosinteză. Cu toate acestea, rezerva de CO2 nu se diminuează deoarece există un echilibru dinamic între procesele de fotosinteză şi cele de mineralizare. Asimilarea CO2 prin fotosinteză şi mineralizarea carbonului organic cu eliberare de CO2, sunt două procese care se influenţează reciproc, existând o determinare reciprocă în ceea ce priveşte intensitatea lor, astfel încât conţinutul de CO2 şi O2 al atmosferei rămâne relativ constant.

Conţinutul de CO2 al solului este de 10 ori mai mare decât al atmosferei.Apa oceanelor, fiind uşor alcalină, conţine bicarbonaţi ai CO2 solvit. Există un

echilibru relativ constant între bicarbonaţii solviţi şi CO2 atmosferic, astfel încât oceanul este un rezervor de CO2 pentru atmosferă.

70

Microorganisme fotosintetizante şi, în mai mică măsură microorganisme chimiolitotrofe, prin procesele de fotosinteză şi respectiv chimiosinteză, determină încorporarea carbonului mineral (CO2) în materia vie. În aceste procese, CO2 este redus cu eliberare de O2 în atmosferă. Între circuitul carbonului şi al oxigenului există o strânsă întrepătrundere. Orice reducere a CO2, prin încorporarea carbonului în substanţe organice este însoţită de oxidarea apei şi eliberarea oxigenului şi orice oxidare a carbonului din substanţe organice, în cursul multiplelor reacţii de respiraţie şi combustie, implică formarea şi eliberarea de CO2 concomitent cu reducerea O2 din apă (fig. 56).

Fig.56 – corelaţia între circuitul carbonului şi al oxigenului

Utilizarea carbonului organic de către consumatorii primari şi secundariMasa vegetală verde este utilizată ca hrană de consumatorii primari (animale

ierbivore), care la rândul lor reprezintă hrană pentru consumatori secundari (animale carnivore). Consumatorii nu utilizează decât 10% din producţia primară, cu un randament de transformare destul de scăzut deoarece o bună parte din materia ingerată este eliminată prin dejecţii.

În această etapă are loc o slabă mineralizare a carbonului prin respiraţie.

Mineralizarea substanţelor organice

Toate substanţele organice, după moartea organismelor a căror corp le-a format, cât şi dejecţiile eliminate în timpul vieţii, ajung în sol sau în bazinele acvatice unde sunt supuse unor procese de biodegradare prin variate mecanisme biochimice în care sunt incriminate microorganismele. Biodegradarea are ca ultim scop mineralizarea totală a substanţelor organice şi eliberarea de CO2, indiferent de procesele prin care are loc şi de produşii intermediari rezultaţi.

Marea diversitate de substanţe organice acumulate în sol şi ape presupune existenţa a numeroase organisme de mineralizare. O importanţă deosebită prezintă biodegradarea resturilor vegetale în hidraţi de carbon şi substanţe aromatice.

70

Glucidele simple (ozele) şi oligozaharidele vegetale sunt mineralizate cu mare uşurinţă de toate microorganismele heterotrofe care le utilizează ca unică sursă de carbon şi energie. Mai greu mineralizate sunt unele polizaharide şi substanţe organice complexe macromoleculare.

– CelulozolizaCeluloza, fiind componenta principală a ţesuturilor vegetale, va fi şi cel mai

important compus cu carbon din sol şi ape. Biodegradarea celulozei pâna la CO2 şi apă se numeşte celulozoliză şi este realizată de o mare varietate de microorganisme celulozolitice, aerobe şi anaerobe, aparţinând bacteriilor şi ciupercilor.

Agenţi de biodegradare. Cele mai importante genuri şi specii de bacterii sunt: Vibrio, Cellvibrio, Cellfacicula, Cellulomonas, Cromobacterium, Bacillus termocellulolyticus, Bacterium albidum, Streptomyces, Micronospora, Cytophaga, Sporocytophaga, Clostridium termocellum, C. cellulosolvens. Ele sunt aerobe şi anaerobe.

Dintre ciupercile micromicete (mucegaiuri) cele mai active genuri sunt: Trichoderma, Aspergillus, Penicillium, Vetricillium,Sporotrichum, Monosporium, Alternaria, Cladosporium.

Factorii de influenţă. În natură, descompunerea microbiologică a celulozei este foarte mult influenţată de factorii de mediu, printre care potenţialul de oxido-reducere, pH-ul şi conţinutul solului în azot asimilabil sunt cei mai importanţi.

În general, celulozoliza este mai activă în orizonturile superioare ale solului, acolo unde potenţialul redox este mai ridicat.

Bacteriile celulozolitice au activitatea optimă la pH = 5,7 – 7, actinomicetele la pH = 4,6 – 9,5, iar dintre mucegaiuri unele sunt mai active la pH acid, altele la pH neutru.

În ce priveşte necesarul de azot, folosesc azot organic, săruri de amoniu, azotaţi.Biochimism. Toate microorganismele celulozolitice se caracterizează prin sinteza

şi eliminarea extracelulară a celulazei, un complex enzimatic format din mai multe componente (celulaze, celobiază, beta-glucozidază). Toate aceste enzime hidrolizează în trepte celuloza la glucoză. Celulaze extracelulare care pot ataca fibrele celulozice naturale sunt produse numai de unele microorganisme. Celulazele produse de alte vieţuitoare pot acţiona numai asupra celulozei parţial transformate pe cale chimică sau mecanică.

70

Degradarea anaerobă a celulozei are loc în natură în mâlul lacurilor, în rumenul ierbivorelor, în bălegar. În funcţie de natura produselor rezultate, degradarea anaerobă poate avea loc prin:

Fermentaţie hidrogenică cu formare de acizi butiric şi acetic. Cantitatea de gaze (H2, CO2) rezultate reprezintă 1/3 din cantitatea de celuloză fermentată. Acest tip de fermentaţie este produsă de bacteriile: Bacterium cellulose-disolvens, B. hidrogenicus, Clostridium thermocellus.

Fermentaţia metanică determină formarea în afară de acizi şi formarea de gaze, care reprezintă ½ din cantitatea de celuloză fermentată. În compoziţia gazelor predomină CO2 şi CH3.

Importanţă. Fermentaţia metanică are o importanţă deosebită în natură şi în practică, fiind folosită în procesele dirijate pentru transformarea în metan a reziduurilor rezultate din complexele animaliere. Pentru dirijarea fermentaţiei, dejecţiile animalelor se depozitează în metantancuri şi sub acţiunea microorganismelor aflate în număr foarte mare în materialul de dejecţie, au loc procese microbiologice care se desfăşoară în mai multe etape:

Degradarea compuşilor organic de tipul celulozei, lipide, hidraţi de carbon, protein, sub acţiunea bacteriilor aerobe care consumă oxigenul aflat în rezervor. Prin acţiunea lor se formează acid lactic, acetic, propionic, butiric.

Se formează condiţii favorabile anaerobiozei. Se dezvoltă bacterii Clostridium aceticum, C. desulfovibrio, care produc transformarea substanţelor existente, cu formare pe cale anaerobă a acidului acetic.

Apoi intervin bacteriile metanogene Methanosarcina barkeri, Methanospirillum, care produc metan prin descompunerea acidului acetic.

Valorificarea pe cale metanică a rezidurilor are importanţă practică pentru că permite obţinerea biogazului cu o putere calorică mare. Substratul fermentat este un valoros îngrăşământ organic, care nu mai prezintă mirosul şi caracterele iniţiale.

Degradarea aerobă a celulozei are loc pâna la CO2 şi H2O. Se produce în cadrul proceselor de putrezire a reziduurilor vegetale. Este produsă de bacteriile: Cellulomonas, Cellovibrio, Cellofacicula, Cytophaga şi de mucegaiurile din genurile Trichoderma, Trichotecium, Alternaria, Mucor, Rhyzopus, Penicillum.

Importanţă. Procesul are importanţă practică pentru că bacteriile din genul Cellulomonas pot fi cultivate pe medii bogate în celuloză, care produc o cantitate mare de celule, cu un conţinut proteic de 40%. Aceste proteine au compoziţie valoroasă în acizi şi sunt folosite ca furaj pentru animale.

Drojdiile Candida robusta şi C. tropicalis pot fi folosite la obţinerea de drojdii furajere, cultivate pe produse rezultate de la fabricarea hârtiei, după ce a avut loc hidroliza acidă sau enzimatică a celulozei, cu formare de celobioză, care poate fi fermentată anaerob, cu formare de alcool carburant. În condiţiile cultivării aerobe rezultă biomasă de drojdie furajeră.

Hemicelulozele sunt descompuse de bacterii hemicelulozolitice Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Vibrio, Sporocytophaga, Streptomyces, Micromonospora şi de mucegaiuri: Mucor, Chaetonium, Penucillum, Aspergillus.

Activitatea hemicelulozolitică este mai răspândită decât cea celulozolitică. Enzimele implicate în hidroliza hemicelulozelor sunt: xilanaza, manaza, gluconaza. Hemicelulozoliza se realizează în paralel cu celulozoliza, dar cu viteze diferite.

70

– Pectinoliza Substanţele pectice sunt substanţe de legătură din scheletul celulozic din tulpinile,

frunzele şi fructele plantelor. Din punct de vedere chimic, sunt poliuronide cu greutate moleculară mare, formate din polimeriai acidului galacturonic asociaţi cu pentoze şi hexoze.

Agenţii de degradare. Descompunerea substanţelor pectice este realizată de bacterii anaerobe şi aerobe: Bacillus, Pseudomonas, Flavobacterium, Streptomyces, Nocardia şi mucegaiurile: Fusarium, Penicillum, Aspergillus, Botrytis, Alternaria.

Biochimism. Toate aceste microorganisme conţin complexul enzimatic pectinază format din: pectinmetilesterază, poligalacturonază, polimetilgalactunorază, pectintranseliminază.

Acizii obţinuţi sunt sursă energetic.Importanţă. Pe lângă rolul lor în mineralizarea substanţelor pectice, şi eliberarea

CO2, aceste microorganism sunt importante pentru topirea inului şi a cânepii.

– ChitinolizaChitina este uncompus organic complex care se găseşte în peretele celular al

mucegaiurilor şi în carcasele insectelor. Din punct de vedere chimic, chitina este un polimer de betagluozamidă, cu un conţinut de azot de 6,9%.

Agenţi de degradare. Chitina poate fi degradată de bacteria din genul Pseudomonas chitinivarus, Bacillus, Flavobacterium, Pseudomonas, Arthrobacter şi majoritatea speciilor de actinomicete. Dintre mucegaiuri active sunt: Trichoderma, Penicillum, Fusarium, Mucor.

Biochimism. Descompunerea chitinei se face sub acţiunea chitinazei. Glucoza şi acidul acetic rezultat sunt apoi oxidate până la CO2 şi apă.

– AmilolizaAmidonul se întâlneşte ca substanţă de rezervă în diferite părţi ale plantelor. În sol

se acumulează împreună cu aceste resturi vegetale.Agenţii de degradare. Degradarea amidonului este realizată de microorganismele

producătoare de alfa- şi beta-amilaze. Ele sunt reprezentate de mucegaiuri: Aspergillus niger, A. oryzae, A. usami, Rhyzopus oryzae, Amylomyces rouxi. Mucegaiurile mai produc amilogalaucozidază (glucoamilază). Amilaze sunt produse şi de bacteria: Bacillus subtilis.

Microflora amilolitică nu este specifică deoarece microorganismele care produc amilaze sunt extrem de variate şi numeroase: bacterii Gram negative şi positive, sporulate şi nesporulate, aerobe şi anaerobe, actinomicete şi mucegaiuri.

70

Amilazele sunt enzime hidrolizante. După formarea compuşilor simpli (maltoză, glucoză) aceştia reprezintă substraturi nutritive pentru alte specii de microorganisme dependente de aceste mucegaiuri amilolitice.

Procesul natural de degradare al amidonului este nedorit, întrucât conduce la alterarea cerealelor şi a cartofilor.

– Mineralizarea substanţelor aromaticeSubstanţele aromatice acumulate în sol provin fie din organismele vegetale, fie

sunt sintetizate de unele microorganisme (mucegaiuri). Ele conţin un singur nucleu benzenic (fenoli, acizi fenolici, acid benzoic, cumarine), doi nuclei de benzen (flavone, antociani) sau mai mulţi compuşi fenolici condensaţi (lignină, taninuri, substanţe humice).

Substanţa aromatică cea mai importantă din punct de vedere cantitativ este lignina. Mineralizarea ligninei este deci deosebit de imporatntă în circuitul carbonului. Ea se găseşte, după celuloză, în cantitatea cea mai mare, în vegetale, mai ales în cele lemnoase. Lignina este una din substanţele cele mai rezistente la biodegradare.

Taninurile, substanţe larg răspândite în regnul vegetal, sunt mineralizate în sol.Agenţi de degradare. Compuşii fenolici sunt mineralizaţi de bacterii.

Pseudomonas, Arthrobacter, Bacillus şi de mucegaiuri.Lignina este mineralizată de mucegaiuri: Aspergillus, Trichoderma,

Trichothecium, Alternaria, Fusarium şi de bacterii: Pseudomonas, Flavobacterium, Agrobacterium.

Taninurile sunt mineralizate de mucegaiuri: Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Cylindrocarpon, Gliocladium.

– Biodegradarea hidrocarburilorUnele microorganisme sunt capabile să degradeze hidrocarburile alifatice alifatice

şi aromatice din sol şi ape.Mai rezistente la biodegradare sunt hidrocarburile ramificate (detergenţii).

Hidrocarburile aromatice (benzen, toluen, xilen) sunt degradate de un număr mic de microorganisme deoarece numai puţine sunt capabile să deschidă molecula ciclică.

Agenţi de degradare. Se cunosc mai multe specii de bacterii care folosesc ca unică sursă de carbon şi energie metanul: Methanomonas metanica sau propanul, Pseudomonas propanica. Alte hidrocarburi cu moleculă mică pot fi descompuse de Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas aeruginosa, Mycobacterium, Nocardia, Micronospora, Streptomyces.

Hidrocarburile complexe sunt degradate de microorganisme foarte variate, bacterii: Pseudomonas, Micrococcus, Bacillus, actinomicete, levuri: candida lypolitica, mucegaiuri.

Factori de influenţă. Biodegradarea hidrocarburilor este mai mult sau mai puţin intensă, în funcţie de compoziţia chimică, consistenţa, solubilitatea, toxicitatea şi concentraţia lor în mediul respectiv. Ea este favorizată de temperaturile relativ ridicate şi de prezenţa oxigenului.

Biochimism. Hidrocarburile sunt metabolizate diferit, în funcţie de specie şi de tulpină. Ele sunt oxidate în alcooli, apoi în acizi graşi, iar aceştia degradaţi prin beta-oxidare.

70

Importanţă. Acest proces de minaralizare prezintă nu numai importanţă bioedafică sau geologică ci şi în lupta împotriva poluării mediului ambiant.

– Biodegradarea lipidelorLipidele simple şi complexe se găsesc în materia organică vegetală şi animală. Ele

pot fi transformate în compuşi mai simpli, sau oxidate la CO2 şi H2O.Agenţii de dagradare sunt mucegaiurile lipolitice: Aspergillus, Penicillum,

Cladosporum, Rhyzophus, Geotrichum şi bacteriile: Bacillus, Pseudomonas, Achronobacter care produc lipaze.

Biochimism. Sub acţiunea lipazelor, lipidele sunt transformate în acizi graşi şi glicerol. Glicerolul, după fosforilare, este metabolizat prin ciclul EMP (glicoliză), iar acizii graşi suferă o β-oxidare, în ciclul lui Lynen, până la CO2 şi H2O. Prin oxidarea completă a acizilor graşi se obţine o cantitate mare de energie.

Rezervele de carbon

Unele fracţiuni din resturile vegetale (taninuri, lignină) şi unii compuşi rezultaţi din metabolismul microorganismelor, în anumite condiţii, pot să sufere transformări care dau naştere la substanţe mai mult sau mai puţin polimerizate, rezistente la acţiunea microbiană. Aceste substanţe nou formate, în general de culoare închisă, stabilizate şi rezistente formează humusul, care reprezintă rezerva de carbon organic a solului. Humusul nu este însă inert deoarece, în contact cu aerul poate fi oxidat spontan sau este lent dar progresiv mineralizat de microorganisme.

În afară de aceste rezerve, carbonul organic s-a depozitat sub formă de cărbuni şi petrol. Cărbunii s-au format probabil din lignină, iar petrolul din acizii graşi, prin procese fizico-chimice şi microbiologice, în perioade îndelungate de timp, în anaerobioză, de presiune ridicată şi la temperaturi mici.

O altă rezervă de carbon sunt carbonaţii insolubili din rocile solului.Numai o parte din carbonul fosil este redat atmosferei, în special în urma arderilor

industriale ale hidrocarburilor şi cărbunilor.

ROLUL MICROORGANISMELORÎN CIRCUITUL NATURAL AL

AZOTULUI

Azotul este un element biogen esenţial deoarece intră în compoziţia proteinelor şi a altor substanţe organice de mare importanţă pentru viaţa organismelor vii.

Ciclul azotului este aproape perfect, adică închis, fără pierderi.Rezervorul de azot este atmosfera care conţine 79% azot.

70

Azotul molecular nu poate fi utilizat de plantele verzi, ci numai de unele microorganisme dotate cu echipament enzimatic specializat în acest scop. Aceste microorganisme fixatoare de azot molecular pot fi libere sau simbiotice, aerobe sau anaerobe.

O altă sursă importantă de azot o reprezintă proteinele vegetale, animale şi microbiene, care returnează de fapt solului azotul absorbit sub formă de azotaţi şi săruri de amoniu, de către plantele verzi. Mineralizarea proteinelor şi a altor substanţe organice cu azot eliberează azotul mineral sub formă de amoniac.

Amoniacul eliberat prin amonificare este oxidat de microorganisme în azotiţi şi azotaţi devenind din nou absorbabil şi utilizabil în biosintezele plantelor.

.

Fig. 11 – Schema circuitului biogeochimic al azotului

70

Toate transformările compuşilor azotului sunt realizate de către microorganisme. În circuitul biogeochimic, acestor transformări li se adaugă altele de natură fizică şi chimică.

Circuitul acestui element este foarte complex (fig. 57). El este alcătuit din două subcicluri:

– fixarea azotului atmosferic de către organisme şi eliberarea azotului molecular în atmosferă.

– mineralizarea substanţelor organice cu azot până la substanţe minerale utilizabile din nou de către plante (sinteza de nitriţi şi nitraţi) şi utilizarea acestor substanţe de către plante şi animale pentru sinteza de substanţe organice cu azot, aminoacizi, proteine, acizi nucleici, alcaloizi – uree. Mineralizarea se realizează prin procesul de amonificare urmat de nitrificare care cuprinde două etape: nitritarea şi nitratarea

– Fixarea azotului molecular atmosfericFixarea azotului molecular liber se face pe cale chimică prin procese fotochimice şi

pe cale biologică prin fixarea microbiologică a azotului.Agenţi de fixare. După modul de viaţă, microorganismele fixatoare de azot se

împart în două grupe:microorganisme simbiotice, care fixează azotul molecular în nodozităţile plantelor

leguminoase (Rhizobyum) sau neleguminoase (Frankia).microorganisme libere (nesimbiotice) care pot fi bacterii aerobe sau anaerobe.Microorganismele nesimbiotice pot fi bacterii anaerobe sau aerobe.bacterii aerobe sunt: Azotobacter chroococcum, A. vinelandi, A. agilis, A. insignis,

Azomonas, Klebsiella, Pseudomonas, Achromobacter, Arthrobacter, Aerobacter, Methanomonas. Cyanobacteriile cuprind genuri fixatoare de azot care aparţin familiilor Nostocaceae, Rivulariaceae, Scytonamataceae, Stigonemataceae.

bacterii anaerobe sunt reprezentate de Clostridium pasteurianum, Cl. butylicum., Cl. felsineum, Cl. lactoacetophillum, Cl. madisoni, Cl. tetanomorphum, Cl. acetobutyllicum, Desulfovibrio desulfuricans, Rhodospirillum rubrum şi alte specii fotosintetizante.

Biochimism. Toate bacteriile fixatoare de azot molecular se caracterizează prin prezenţa unui sistem enzimatic specializat, format din două fracţiuni enzimatice reducătoare: hidrogenază şi nitrogenază.

Mecanismul fixării azotului molecular este un proces de reducere care reclamă o sursă reducătoare. Aceasta poate fi reprezentată de acidul piruvic, acidul alfa-ceto-glutaric sau hidrogenul molecular. Acidul piruvic , de exemplu, furnizează, în cursul unei reacţii de fosforilare, puterea reducătoare (2H), acetilfosfatul format fiind utilizat la sintaza ATP-ului, care reprezintă sursa de energie necesară fixării azotului molecular. Intervenţia complexului enzimatic este secvenţială. Prima fracţiune, care este un sistem donator de hidrogen (HDS) conţine o hidrogenază şi enzime care catalizează reacţia de fosforilare. A doua fracţiune este un sistem activator al azotului (NAS), care conţine o nitrogenază care catalizează reducerea azotului.

Hidrogenul eliberat în prima reacţie este acceptat de un transformator de hidrogen, frecvent reprezentat de ferodextrină şi transportat spre hidrogenază. Ferodextrina este o proteină cu greutate moleculară mică, care trece reversibil din starea oxidată în starea redusă.

70

Azotul molecular, activat de nitrogenază, formează un complex cu aceasta, care va fi redus de ferodextrină. Acest complex redus acceptă ATP-ul rezultat şi eliberează amoniacul ca produs final al fixării azotului molecular. Acesta intră în reacţie cu acizii alfa-cetonici, formând acizi aminici.

Factori favorizanţi. Fixarea nesimbiotică este condiţionată de prezenţa în cantitate suficientă de calciu în sol şi de fosfaţi asimilabili, de temperatură şi de aerisirea convenabilă. Este un proces extrem de variabil. În condiţii favorabile, se pot fixa 30-40 kg azot la hectar.

Fixarea simbiotică are loc în nodozităţile radiculare ale leguminoaselor de către Rizobium leguminosarum care se găseşte în sol sub formă de mici bastonaşe capabile să pătrundă prin porii radiculari. Ele se transformă ulterior într-un bacil mai mare şi la sfârşit ia formă aglomerată în faza simbiotică.

Prezenţa în sol a unei anumite cantităţi de azot asimilabil favorizează apariţia ţi dezvoltarea nodozităţilor. Când cantitatea de azot asimilabil este foarte mare, formarea nodozităţilor este întârziată şi total inhibată.

Cantitatea de azot fixată anual la hectar poate ajunge la 100-200 kg.Importanţă. Fixarea microbiologică a azotului prezintă o foarte mare importanţă

din punct de vedere agricol, întrucât plantele verzi nu pot asimila azotul atmosferic, atmosfera fiind principalul rezervor de azot.

Fixarea nesimbiotică a azotului molecular contribuie la îmbogăţirea solului în azot, dar aportul este mic, deoarece densitatea bacteriilor libere fixatoare de azot molecular ese relativ mic, iar randamentul este scăzut.

În sol, fixarea azotului este sensibil redusă de prezenţa unor forme se azot mineral.

– Mineralizarea substanţelor organice

– AmonificareaIniţial, substanţele proteice, ureea, bazele azotate, după moartea organismelor, sunt

descompuse de către bacteriile amonificatoare la amoniac prin procesul de amonificare. Amoniacul rezultat în urma activităţii bacteriilor amonificatoare recţionează cu apa, formând ionul amoniu.

Acest proces are loc în orizonturile superficiale ale solului, unde azotul se găseşte în cea mai mare parte sub formă organică de proteine, acizi nucleici, glucide aminate, îngrăşăminte artificiale (uree, cianamidă de calciu).

Amonificarea proteinelor – Proteoliza

Proteinele pot fi degradate sub acţiunea enzimelor proteolitice, care sunt enzime extracelulare, produse de bacterii şi mucegaiuri, microorganisme care produc în natură putrefacţia şi putrezirea materiei organice moarte.

Aceste enzime proteolitice sunt proteaze, ele determinând hidroliza proteinelor. Prin hidroliza proteinelor de către proteazele extracelulare rezultă peptide şi aminoacizi. Existenţa lor este efemeră, întrucât suferă o serie de transformări imediate:

dezaminare microbiologică cu eliberare de amoniac, sunt asimilaţi de către microorganisme, sunt absorbiţi de către plante,

70

sunt absorbiţi pe argile sau încorporaţi în fracţiunea humică a solului.Când degradarea proteunelor are loc în anaerobioză (putrefacţia) rezultă amine cu

miros specific (putresceină, cadaverină), care apoi se oxidează în anaerobioză eliminând amoniacul.

Agenţii de degradare. Amonificarea proteinelor (proteoliza) este realizată de bacterii şi mucegaiuri.

Agenţii tipici ai putrefacţiei, care produc endo şi exoproteaze extracelulare, sunt bacterii răspândite în sol şi ape. Ele se caracterizează printr-o activitate fiziologică foarte diversă.

Bacteriile de putrefacţie pot fi sporulate sau nesporulate, Gram pozitive sau negative. Pentru a fi active, necesită un pH de 7, dezvoltarea lor fiind inhibată la pH sub 4,5. Ele pot produce şi degradarea amidonului. Sunt bacterii rezistente la plasmoliză şi se pot dezvolta în medii cu o concentraţie de 7% clorură de sodiu.

Bacterii de putrefacţie aerobe Pseudomonas fluorescens este o bacterie Gram negativă, nesporulată, care poate produce lichefierea gelatinei. Se dezvoltă la temperaturi mai mici. Genul Bacillus cu aproximativ 25 de specii are activitate proteolitică intensă. B. Subtilis, B. mycoides, B. megatherium, B. mesentericus, B. licheniformis, B. coagulans, B. putrificus, B. cereus sunt bacterii Gram negative, sporulate, foarte răspândite în natură. Genul Proteus, cuprinde bacterii Gram negative, sporulate şi mobile (P. vulgaris, P. mirabilis). prin degradarea proteinelor produce şi degradarea aminoacizilor cu formare de H2S.

Bacterii facultativ anaerobe: Escherichia coli, Streptococcus faecalis, Enterobacter.Bacterii anaerobe: Staphylococcus albus, Micrococcus flavus, Bacillus putrificus,

Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum, Clostridium perfrigens, Bacillus pestorium.

Dintre mucegaiuri, amonificatoare active sunt: Trichoderma, Köningii, Oidium lactis, Aspergillus niger, A. terricola, A. fumigatus, Penicillum intricatum, Mucor hiemalis, Rhizophus nigricans, Botrytis.

Biochimism. degradarea proteinelor sub acţiunea echipamentului enzimatic are loc în trepte.

70

Formarea produşilor de putrefacţie are loc pe mai multe căi: decarboxilarea aminoacizilor cu formarea de amine: cadaverină din lizină,

putresceină din ornitină, histamine din histidină. dezaminarea oxidativă, reductivă, hidrolitică a aminoacizilor prin

transaminare la acizi, cetoacizi, hidroxiacizi. degradarea triptofanului cu formare de produşi indolici.

dezaminarea aminoacizilor cu formare de NH3. El poate fi folosit din nou în biosintezele celulare ca sursă de azot. Format în exces, se elimină în atmosferă.

din aminoacizii cu sulf rezultă H2S. dezaminarea reductivă şi decarboxilarea aminoacizilor cu formare de H2 şi

CO2.Importanţă. Putrefacţia este importantă penru că are loc mineralizarea formelor de

azot organic şi transformarea cadavrelor în compuşi simpli.Putrezirea este o proteoliză produsă de mucegaiuri, uneori în asociaţie cu

bacteriile, care are loc în aerobioză sau facultativ, anaerobioză, în urma căruia se formează produse la suprafaţa solului.

Utilizarea amoniacului. Amoniacul rezultat din procesul de amonificare a glucidelor aminate, acizilor nucleici, acidului uric şi a acidului hipuric, cât şi amonificarea proteinelor poate urma în sol următoarele căi:

parte se transformă prin nitrificare în nitraţi, parte este utilizată de microorganisme pentru sinteza de aminoacizi proprii, parte este stabilizată pe substanţa organică a solului,

70

parte este absorbită de plantele verzi parte este absorbită de mineralele argiloase din sol, parte se va volatiliza în atmosferă, mică parte se pierde prin levigare.

Amonificarea ureei

Ureea este un îngrăşământ frecvent folosit, amonificarea ei fiind importantă pentru fertilizarea solului.

Amonificarea ureei este realizată de Bacillus probatus, Planesarcina ureae, Micrococcus ureae, Urobacterium care hidrolizează ureea prin acţiunea ureazei. În urma hidrolizei se formează bioxid de carbon şi amoniac.

Ureea sintetică conţine adesea impurităţi care sunt însă şi ele biodegradabile.

– Nitrificarea

Sărurile amoniacale care se formează în urma procesului de putrefacţie sunt oxidate şi transformate în nitraţi, procesul fiind denumit nitrificare. nitrificarea este procesul cel mai răspândit din sol cu cea mai mare importanţă în agricultură.

Nitrificarea este un proces de oxidare a sărurilor amoniacale care se realizează în două etape. În prima etapă se oxidează compuşii amoniacali la nitriţi prin procesul de nitritare. Apoi prin nitratare, nitriţii se transformă în nitraţi. Nitraţii solubili sunt utilizaţi din nou de plante.

Nu toate resturile organice sunt mineralizate până la azotaţi. O mare parte sunt îngropate sub formă de sedimente.

Întreaga mineralizare se desfăşoară sub influenţa diferitelor grupe de microorganisme.

Nitriţii şi nitraţii sunt absorbiţi de plante care le transformă pe cale biosintetică din nou în aminoacizi şi proteine.

În afară de amoniacul de origine biologică, în sol, se acumulează şi amoniac de origine nebiologică, eliberat de pe argile sau adus de îngrăşămintele amoniacale. Când condiţiile ecologice sunt favorabile, amoniacul este oxidat pe cale biologică până la azotaţi.

Agenţi de nitrificare. Nitrificarea se realizează de către microorganisme autotrofe sau heterotrofe.

– Nitrificarea autotrofă este realizată de două grupe de bacterii înalt specializate (nitroase şi nitrice), care îşi procură întreaga energie de care au nevoie din oxidarea azotului amoniacal sau nitros. Nitrificarea este deci rezultatul acţiunii succesive a celor două grupe de microorganisme, acest proces având loc în două etape:

– Nitritarea presupune oxidarea amoniacului la nitriţi (a sărurilor amoniacale la acid azotos).

Procesul este realizat de Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira, Nitrosogeea, Nitrocystis.

Biochimism. Reacţia globală a nitritării este:

70

NH4+ + 1/2O2 → NO2

- + 2H+ + 2H2O + 63,8 Kcal

Oxidarea se realizează însă în trei trepte:

– Nitratarea presupune oxidarea nitriţilor (acidului azotos) la nitraţi. Se realizează de către Nitrobacter vinogradsky, Nitrobacter agilis, Nitrocystis, care preferă dezvoltarea pe substanţe minerale pure. Ei pot sintetiza substanţa organică celulară din compuşii minerali ai carbonului.

Biochimism. Reacţia globală a nitrării este:

NO2- + 1/2O2 → NO3

- + 7,5 Kcal

Mecanismul presupune o dehidrogenare a radicalului nitros după o prealabilă hidratare:

Bacteriile nitrificatoare (nitroase şi nitrice) se găsesc în toate solurile al căror pH este mai mare de 3,7 – 4,0, amendamentele calcaroase având o foarte mare influenţă favorabilă în dezvoltarea lor. Într-un gram de sol se găsesc 25000 de bacterii nitrificatoare.

Bacteriile nitroase şi mai puţin cele nitrice, tolerează prezenţa materiilor organice. Influenţa materiilor organice asupra nitrificării depinde, în primul rând, de solubilitatea şi de gradul lor de descompunere a solului. Nitrificarea poate fi foarte activă în terenurile humice, la un pH şi aerare convenabilă. În special solurile brune, bogate în humus, conţin cel mai mare număr de bacterii nitrificatoare active. În sol, bacteriile nitroase şi nitrice sunt însoţite de specii bacteriene particulare heterotrofe. Aceste specii exercită o acţiune de accelerare asupra mersului nitrificării.

Nitrificarea are loc şi pe stânci neatacate, pregătind terenul pentru licheni, muşchi şi plante superioare. Formarea zăcămintelor de nitraţi este o consecinţă a procesului de nitrificare.

– Nitrificarea heterotrofă are un mecanism biochimic total diferit faţă de cel al nitrificării autotrofe

Bacteriile Achromobacter, Corynebacterium, Nocardia, Agrobacterium, Alcaligenes produc nitriţi din oximele diferişilor acizi organici. Mucegaiurile Aspergillus flavus, Artrobacter globiformis produc din amoniac, sau alţi compuşi aminaţi, hidroxilamină, nitriţi şi nitraţi.

70

Utilizarea nitriţilor şi nitraţilor. Indiferent prin ce mecanism se produce, azotul nitric este produsul final al nitrificării. În sol el poate să urmeze mai multe căi:

cea mai mare parte este absobită de plantele verzi, parte este utilizată ca sursă de azot de către microorganisme, parte se pierde prin levigare, parte se pierde prin denitrificare.

– Denitrificarea

Denitrificarea constă în reducerea nitraţilor la diferiţi compuşi azotaţi: nitriţi, amoniac, azot liber. Denitrificarea propriu-zisă constă în reducerea nitraţilor la nitriţi, având ca produs final azotul molecular, în felul acesta eliberându-se azotul în atmesferă.

În sens larg, denitrificarea este un proces respirator anaerob în care unele microorganisme folosesc nitraţii şi alţi compuşi oxidaţi ai azotului, ca acceptori finali de electroni.

Denitrificatori sunt puţini. Acest proces are loc cu precădere în medii slab aerate unde se acumulează cantităţi mari de substanţe organice. În acest context, produşii finali ai denitrificării sunt compuşi azotaţi mai mult sau mai puţin reduşi: azotiţi, oxid de azot, amoniac, azot molecular.

În sens agronomic, denitrificarea reprezintă totalitatea proceselor microbiologice prin care nitraţii, în mod secundar nitriţii, sunt reduşi la azpt molecular sau oxid nitros, care eliberându-se din sol în atmosferă, sărăcesc solul în azot asimilabil.

Reducerea nitraţilor este frecventă în soluri, în special când conţinutul de apă atinge cel puţin 40% din capacitatea totală a solului.

Sub acţiunea microorganismelor, nitraţii din sol pot fi supuşi următoarelor transformări:

utilizarea directă ca sursă de azot, reducerea în nitriţi şi amoniac prin procesele de asimilare, reducerea propriu-zisă a nitriţilor în azot elementar sau oxid de azot, cu

pierdere reală de azot.Alături de denitrificarea biologică are loc şi o denitrificare chimică care decurge

din instabilitatea nitraţilor în sol. În timp ce denitrificarea biologică este un proces anaerob, denitrificarea chimică este un proces aerob.

Agenţii de denitrificare sunt numeroase bacterii care transformă nitraţii în nitriţi, amoniac, oxid de azot şi azot elementar. Transformarea nitraţilor în nitriţi şi amoniac este produsă de numeroase bacterii, dr numai unele realizează o denitrificare completă cu punere în libertate de azot elementar şi oxid de azot: Bacillus denitrificans, B. fluorescens, B. pyocyaneum, Pseudomonas, Achromobacter, Micrococcus, Spirillum. Marea majoritate a microorganismelor denitrificatoare sunt heterotrofe deşi se cunosc şi câteva specii autotrofe (Thiobacillus denitrificans, care în anaerobioză oxidează sulful pe seama nitraţilor pe care îi reduce la N2).

Condiţii favorizante. Denitrificarea solului reprezintă un fenomen complex. Dacă solul este plin cu apă, nitraţii se descompun ca în soluţii şi pun în libertate azotul elementar. Dacă solul este saturat cu apă (40%), denitrificarea este destul de importantă, însă variabilă de la un sol la altul.

Temperatura optimă este de 250C, iar pH-ul

70