8.Hafta (3) - Mikrobiyal Ekoloji Ders Notları PDF

Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Dersin Adı: FMB2...

Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Dersin Adı: FMB215- Mikrobiyal Ekoloji Dersin Hocası: Dr. Öğr. Üyesi Mehmet Akif ÖMEROĞLU  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Sucul Çevreler Tatlısular: Tatlısu çevreleri mikrobiyal büyüme için elde edilebilir kaynaklar ve koşullar yönünden oldukça değişkendir. Hem oksijen üre.ten hem de oksijen tüketen organizmaların her ikisi de sucul sistemlerde bulunmakta olup fotosentez ile solunum arasındaki denge oksijenin, karbonun ve diğer nutrientlerin (azot, fosfor, metaller) doğal döngülerini kontrol eder. 2  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Mikroorganizmalar arasında, oksijenik fototroflar, algleri ve siyanobakterileri içerirler. Bunlar ya planktonik (su içinde yüzer) olup bazen belli bir derinliklerde geniş sayılarda bulundukları göllerin su kolonu boyunca dağılmış olabilir ya da bir gölün ya da nehrin dibinde veya kenarlarına tutunanlar anlamında bentik olabilir. Enerjilerini ışıktan elde eden ve C02'yi organik maddeye indirgemek amacıyla bir elektron vericisi olarak suyu kullanan oksijenik fototroflar, Tatlısu sucul ekosistemlerinde temel primer üreticilerdir. Kemoorganotrofik sucul mikrobiyal toplulukların aktivitesi ve çeşitliliği, özellikle bulundukları yoğunlukları ölçüsünde yer ve zamana göre dağılımları yönünden primer üretim üzerinde temel bir etkiye sahiptir. Oksijenik fototroflar O2‘ye ilave olarak yeni organik materyaller üretirler. Eğer primer üretim oranları çok yüksekse bunun sonucunda aşırı miktarda organik madde üretimi ve dolayısıyla gerçekleşen solunum sonucunda dip suyunda O2'nin tükenmesi ve anoksik koşulların oluşumuna giden süreç görülebilir. 3  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Tatlı Su Çevrelerinde Oksijen ilişkileri Göllerin biyolojik ve besin yapısı, sıcaklık ve tuzluluğun fiziksel kademeleri içinde mevsimsel değişikliklerle büyük ölçüde etkilenmektedir. Ilıman iklimlerdeki birçok gölün katmanlaşmış bir su kolonu, fiziksel ve kimyasal karakteristiklerin farklılaşmasından dolayı katmanlara ayrılarak tabakalaşır. Yaz esnasında, daha ılık ve daha az yoğun epilimnion denen yüzey tabakaları, daha soğuk ve daha yoğun dip tabakalarından (hipolimnion) ayrılır. 4  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Tabakalaşma periyodları esnasında, yüzey ve dip suları arasındaki geçiş karışmayla değil çok daha yavaş olan difüzyon süreciyle kontrol edilmektedir. Bir sonuç olarak, dip suları, mevsimsel periyodları çözünmüş O2'nin ya düşük miktarda bulunması ya da hiç bulunmaması şeklinde geçirebilirler. Oksijen atmosferde en çok bulunan gazlardan biri olmasına rağmen (% 21), suda nispeten sınırlı çözünürlüğe sahiptir ve onun büyük su kütlelerinde atmosferle değişimi yavaştır. Aslında, oksijenin suda bulunup bulunmaması su kolonundaki mevcut organik madde miktarı ve karışma derecesi de dahil birkaç faktöre bağlıdır. Yüzey tabakalarında tüketilmeyen organik maddeler derinlere batar ve orada anaeroblar tarafından ayrıştırılır. Göller, çok daha fazla miktarlarda çözünmüş organik madde içerebilmektedir çünkü gölün etrafındaki karadan gelen inorganik nutrientler alg ve siyanobakteri patlamalarını başlatabilir ve bu organizmalar doğal olarak kompleks organik bileşikler salgılayabilir ayrıca, öldüklerinde ve ayrıştıklarında da çeşitli organik maddeler salınabilir. 5  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Nehirler ve akarsulardaki oksijen seviyeleri de özellikle lağım, tarımsal veya endüstriyel kirlilikten gelen organik maddenin bu çevrelere girmesi ile yakın ilişkilidir. Hatta hızlı su akışı ve türbülansla iyi karışmış bir nehirde bile, büyük miktarda organik girişleri, bariz şekilde bakteri solunumu için gereken oksijenin bulunamamasma götürebilir. Bir noktadan kanalizasyon suyunun deşarj edildiği bir akarsu deşarj noktasından ileriye doğru gidildikçe, organik madde kademeli olarak tüketilecek ve oksijen içeriği önceki seviyelerine geri dönecektir. Göllerde olduğu gibi lağım veya diğer kirleticilerden nehirlere ve akarsulara giren nutrientler siyanobakteriler ve algler ile diğer sucul bitkilerin anlık artışlarını tetikleyebilir. Böylelikle sucul hayvanlar için tüm su kalitesi ve büyüme koşulları kötüleşir. 6  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Biyokimyasal Oksijen İhtiyacı Bir su kütlesinin mikrobiyal olarak oksijen tüketme kapasitesi onun biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) olarak adlandırılır. Suyun BOİ'si; alınan bir su örneğini çözünmüş O2'le iyi bir şekilde doygunlaştırmak amacıyla onu iyi bir şekilde havalandırarak, kapaklı bir şişeye yerleştirerek, karanlıkta inkübe ederek (genellikle 20℃'de 5 gün) ve inkübasyon süresi sonunda kalan oksijeni ölçerek saptanmaktadır. Böylelikle BOİ saptanması suda bulunan mevcut mikroorganizmalar tarafından okside edilebilen sudaki organik madde miktarının ölçümünü verir. Bir göl veya bir nehirin bir organik kirletici kontaminasyonundan veya aşırı primer üretimden kurtarılması başlarda yüksek olan BOİ'nin daha düşük hale gelmesini sağlayacaktır ve bu düşmenin bu ekosistemdeki çözünmüş oksijendeki artışla ilişkili olduğu görülecektir. 7  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Bir su kütlesindeki organik materyalin ölçümü ile ilişkili diğer bir yöntem kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ)'dır. Bu parametre; organik maddeyi CO2'ye okside etmek için asidik potasyum dikromat gibi güçlü bir oksitleyici ajan kullanarak saptanır. Mevcut organik maddenin miktarı tüketilen dikromat miktarına oranlanır. KOİ, genellikle su kalitesinin ve onun BOİ potansiyelinin hızlı bir ölçümü olarak kullanılır. Böylelikle tatlı sularda oksijen ve karbon döngülerinin, organik karbon seviyelerinin oksijenle ters orantılı şekilde bağlantılı olduğunu göreceğiz. Fotosentez oksijen üretmesine rağmen, organik maddenin üretimi ile bağlantılı olarak O2 azalmasına götürür. Tipik olarak organik madde bakımından zengin olan anoksik sucul çevreler ekosistemden oksijen uzaklaştıran solunum sürecinin son halkasıdır. 8  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Denizel Çevre: Fototroflar ve Oksijen İlişkileri Oksijen hariç olmak üzere, birçok tatlı su çevreleri ile kıyaslandığında açık okyanusta (pelajik zon) genellikle besin seviyeleri çok düşüktür. Bu özellikle fototrofik organizmalar için azot, fosfor ve demir gibi önemli inorganik nutrientler bakımından bir gerçektir. Ayrıca, okyanuslardaki su sıcaklığı daha soğuktur ve mevsimsel olarak çoğu tatlı su gölüne göre daha sabittir. Denizel fototrofların aktivitesi bu faktörlerle sınırlı olmasından dolayı bu çevrelerdeki tüm mikrobiyal hücre sayıları doğal olarak tatlı su çevrelerine göre okyanuslarda 10 kat daha azdır. Bunlar ortalama sayılar olup denizel prokaryotik çeşitlilik çalışmaları, çeşitlilik ve bolluğun tekrarlayan geçici özelliklerini açığa çıkarmak için sadece başlangıçtır. 9  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Birçok farklı prokaryot ve ökaryot okyanus sularında yaşamaktadır fakat birçoğu besin bakımından fakir çevrelerde yaşayan bu organizmaların tipik karakteristikleri çok küçük hücreler olmalarıdır. Nutrienti sınırlı olan mikroorganizmalar için küçüklük uyumsal bir özelliktir. Çünkü onlar böylece hücresel devamlılık için daha az enerjiye ihtiyaç duymaktadırlar. Tatlı su göllerinin dip sularına göre pelajik suların dip sularında, daha düşük bir besin dönüşümü ve böylece, daha düşük bir primer üretkenlik vardır. Ancak, okyanuslar çok büyük oldukları için, okyanuslarda oksijenik fotosentezden toplu karbondioksit tutulması ve oksijen üretimi Yeryüzü'nün karbon dengesinde temel faktördür. Tuzluluk, pelajik zonda daha fazla veya daha az sabittir ancak karasal alanlarda daha değişkendir. Karasal girişler, nutrientlerin alıkonması ve besin bakımından zengin suların akışı gibi etkenler kıyıya yakın sularda pelajik sulardan daha fazla şekilde fototrofik mikroorganizma populasyonlarını desteklemektedir. 10  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Denizel körfezler ve haliçler gibi daha sığ denize! sularda, besin girişleri aslında, solunumla O2'nin uzaklaştırılmasından ve sülfat indirgeyen bakteriler tarafından H2S'in üretilmesinden dolayı suların geçici olarak anoksik olmasına götürür. Mississippi Vadisinde tarımsal akıntıdan gelen ve Mississippi Nehri ile taşınan yüksek miktarda yüklü azot ve fosfordan dolayı Meksika Körfezinde oksijen eksikliği olan geniş bir bölge bulunmaktadır. Meksika Körfezinin Ölü Zonu denen bu bölge, bölgede temel deniz ürünleri endüstrisini devam ettiren bentik deniz yaşamına, balığın eksilmesi ve kaybolmasına katkıda bulunur. 11  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Deepwater Horizon Felaketi Tarımsal akış boyunca Meksika Körfezi ekolojisinin kronik yıkımına ilaveten, artan petrol sondajları da önemli çevresel risk oluşturur. Meksika körfezi için önemli felaket Nisan 2010'daki patlama ve açık deniz Deepwater Horizon sondaj platformudur; çukur basıncını kontrol etmedeki başarısızlık 1,5 km'lik bir derinlikteki kaynağın parçalanması ile sonuçlandı. 3 ay sonra kuyu kapatılıncaya kadar 4 milyon varilin üstünde petrol salındı. Bu en büyük petrol döküntüsü eşşizdi Çünkü petrolün çoğu su kolonunun büyük derinliklerinde bir fışkırma şeklinde salındı. Doğal olarak, denizel petrol döküntüleri, esasen yüzey sularını kontamine eder. Bunun sonucunda hızlı buharlaşma ve düşük moleküler ağırlığındaki petrol bileşiklerinin (naftalen, etilbenzen, tolüen ve ksilen gibi) atmosfere kaybı gerçekleşir. Bunun aksine, Deepwater Horizon döküntüsü hem düşük moleküler ağırlıklı bileşikler hem de doğal gaz (metan, etan, propan) su kolonunun derinliklerine salınmıştır. Bu bileşikler, yüzeyden itibaren 800 m'nin üstündeki derinlikten çıkan ve Körfezde birkaç mile yayılan hidrokarbonun yaklaşık %35'ni oluşturmaktadır. 12  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Hidrokarbon kontaminasyonuna mikrobiyal yanıt, hem kültürel yöntem hem de 16S ribozomal RNA geni ve metagenomik dizileme ile filoçip mikrodizin analizlerini kapsayan moleküler yöntemleri kullanarak birkaç ayın üzerinde bir süre ile izlenmiştir. Bu yöntemler, döküntüye (Mayıs ve Haziran 2010) başlıca mikrobiyal yanıtın Oceanospirillales grubundaki genusla ilişkili olan hidrokarbon-parçalayan Gammaproteobacteria türlerinin ve Colwellia ile Cycloclasticus genuslarının olduğunu göstermiştir. Colwellia ve Cycloclasticus türlerinin artan sayıları onların gaz hidrokarbonları kullanmalarına katkıda bulunmuştur. Çünkü etan ve propanın zenginleştirme kültürüne katıldığında onların her ikisi de oldukça hızlı büyümüşlerdir. 13  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Derin Denizlerdeki Koşullar Derin denizde yaşayan organizmalar üç ana çevresel ekstrem koşullarla karşı karşıyadır : (1) düşük sıcaklık, (2) yüksek basınç, ve (3) düşük besin düzeyleridir. Ayrıca, derin deniz suları tamamen karanlık olduğundan dolayı orada fotosentez olması imkansızdır. Bu yüzden, derin denizde yaşayan mikroorganizmalar, kemotrof olmak zorundadırlar ve soğuk altında yüksek basınç ile oligotrofik koşullarda büyüyebilmelidirler. Yaklaşık 100 m'den daha aşağıdaki okyanus suyu sıcaklığı 2-3°C'de sabit kalır. 100 m'den daha aşağıdaki denize! sulardan izole edilen bakteriler, psikrofilik (soğuğu seven) veya psikotoleranttırlar. Derin-deniz mikroorganizmaları derinliğe bağlı olarak yüksek hidrostatik basınçlara karşı koyabilmelidirler. 14  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Piezotolerant ve Piezofilik Bacteria ve Archaea Basınca karşı farklı fizyolojik yanıtlar farklı derin-deniz mikroorganizmalarında görülür. Bazı organizmalar yüksek hidrostatik basıncı kolaylıkla tolere edebilirler, ancak böyle basınçlar altında optimum şekilde büyümezler; Bu organizmalar Piezotoleranttırlar. Farklı olarak, diğerleri artan hidrostatik basınç altında en iyi şekilde büyürler; bunlara Piezofiller denir. Yaklaşık 3000 m gibi yüzey sularından izole edilmiş organizmalar doğal olarak Piezotoleranttır. Piezotolerant organizmalarda, 1 atm’de 300 atm'den daha yüksek metabolik hıza sahip oldukları gözlenmiştir. 15  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Bununla birlikte 4000-6000 m gibi daha derinlerden alınan örneklerden elde edilen kültürler doğal olarak piezofiliktir ve optimum olarak yaklaşık 400 atm basınçta büyürler. Ancak piezofiller en iyi yüksek basınç altında büyüyebilmelerine rağmen, onlar 1 atm basınçta da büyüyebilmektedirler. Daha derin sularda (örneğin 10.000 m) ekstrem piezofiller bulunur. Bu organizmaların büyümek için çok yüksek basınç gereksinimleri vardır. Örneğin, Mariana Çukurundan (Pasifik Okyanusu, >10.000 m derinlikten) izole edilmiş ekstrem piezofil Moritella en iyi 700-800 atm basınç altında büyümektedir ve doğal habitatında 1035 atm gibi bir basınç altında bile büyüyebilmektedir. 16  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Yüksek Basıncın Moleküler Etkisi Yüksek basınç, birçok şekilde hücre fizyolojisi ve biyokimyasını etkilemektedir. Genellikle, basınç, çoklu alt ünite proteinlerinin ilişkili olma yeteneğini azaltmaktadır. Artan enzimlerin bağlama kapasitesini azaltmaktadır. Böylece, ekstrem piezofillerdeki daha büyük protein kompleksleri, basınç ilişkili etkileri azaltmak için böyle bir şekilde davranmalıdır. Protein sentezi, DNA sentezi ve besin taşınması yüksek basınca duyarlıdır. Yüksek basınç altında büyüyen piezofilik bakteriler sitoplazmik membranlarında 1 atm'de büyüdüğünden doymamış yağ asitlerinde daha fazla bir oran vardır. Doymamış yağ asitleri membranların işlevsel kalmasını sağlar ve yüksek basınçlarda veya düşük sıcaklıklarda onları jelleşmeden korur. 17  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Yüksek basınçta büyümeye katkıda bulunan gen ekspresyonu ve adaptif özellikler ile ilgili çalışmalar özel basıç altında inkübasyonu sağlayan aletler gerektirmektedir. Bu çalışmalar gram negatif bir piezofil yüksek basınç altında büyütüldüğünde, OmpH (Outer membrane protein H) denen özel bir dış membran proteini piezofil hücrelerde görüldüğünü göstermiştir. Oysaki bu hücreler 1 atm'de büyütüldüğünde ise OmpH görülmemektedir. OmpH proteini bir tip porindir. Porinler, periplazmaya doğru molekülleri difüzyonunu amacıyla kanallar oluşturan proteinlerdir. 18  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Hidrotermal Bacalar (Hydrothermal Vents) Derin denizi piezotolerant ve piezofilik mikroorganizmaların yavaş büyümesini sağlayan düşük-sıcaklık ve yüksek-basınç çevreleri olarak düşünmemize rağmen bunun birkaç şaşırtıcı istisnası vardır. Birçok hayvan ve mikroorganizma toplulukları, derin deniz sularında bulunan termal kaynakların içinde veya etrafında gruplar halinde bulunurlar. Bu sıcak kaynaklar, deniz tabanı bölgelerinde okyanus yüzeyinden gelen 1000 m'den daha az derinliklerden 4000 m'nin üzerindeki derinliklere kadar olan derinliklerde bulunmaktadır. Bu deniz tabanında volkanik magma ve sıcak kayanın tabanda yer kabuğunda püskürme merkezinde çatlamaya sebep olduğu yada önceden beri bulunan kayalarla ilişkili demir ve magnezyum minerallerinin deniz suyu ile reaksiyona girer ve suyu ısıtır. Yerkabuğunun bu dinamik çatlak bölgelerine sızan deniz suyu sıcak kaya ile reaksiyona girer ve sıcak kaynak suları inorganik kimyasallar ile çözünmüş gazlarla doyar. Toplu şekilde, yer altı su kaynaklarının bu tipleri hidrotermal hacalar (hydrothermal vents) olarak isimlendirilir. 19  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Hidrotermal Bacalarda Prokaryotlar Kemolitotrofik metabolizmayı gösteren bakteriler hidrotermal baca mikrobiyal ekosistemlerde baskındırlar. Sülfidik bacalar kükürt bakterilerini desteklerler, oysaki diğer inorganik elektron vericilerinin çıktığı bacalar nitrifiye edicileri, hidrojen oksitleyenleri, demir ve mangan oksitleyicileri veya metilotrofik bakterileri desteklemektedir. Metilotrofik bakteriler muhtemelen hacalardan çıkan CH4 ve karbon monoksit (CO) üzerinde büyümektedir. 20 Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics 21  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Prokaryotlar siyah duman bacaların aşırı ısınmış hidrotermal sıvılarında yaşayamamalarına rağmen, termofilik ve hipertermofilik organizmalar aşırı ısınmış suların soğuk denizsuyu ile karşılaştığında oluşan gradientlerde yaşarlar. Örneğin, dumanlı bacaların duvarları H2 okside eden ve CH4 oluşturan Archaea'nın bir türü olan Methanopyrus gibi hipertermofillerle dolmaktadır. Bilinen tüm kükürt indirgeyen prokaryotlar içinde en termofilik olan Pyrolobus ve Pyrodicticum türleri siyah duman baca duvarlarından izole edilmişlerdir. 22