Microbial Nutrition and Growth PDF

Microbial Nutrition and Growth Growth Requirements Microbiële groei Toename in aantal cellen, niet in grootte Gevolg van de reproductie van individuele cellen Het resultaat van microbiële groei is De vorming van een kolonie = aggregatie van microbiële cellen die afstammen van ee...

Microbial Nutrition and Growth Growth Requirements Microbiële groei Toename in aantal cellen, niet in grootte Gevolg van de reproductie van individuele cellen Het resultaat van microbiële groei is De vorming van een kolonie = aggregatie van microbiële cellen die afstammen van een enkele parentale cel De vorming van een biofilm = verzameling/gemeenschappen van microbiële cellen die zich op een oppervlakte bevinden in een complex samenlevingsverband Growth Requirements Micro-organismen gebruiken nutriënten om te voorzien in hun energie behoeften en om organische moleculen en cellulaire structuren op te bouwen De meeste nutriënten bevatten de nodige essentiële elementen zoals koolstof, zuurstof, stikstof en waterstof Micro-organismen bekomen nutriënten uit een hele reeks bronnen Nutriënten: Chemische en energie behoeften Alle cellen hebben voor hun metabolisme nood aan  Een koolstofbron  Een energiebron  Bron van elektronen of waterstofatomen Op basis van de koolstofbron kan men organismen indelen in:  Autotrofen  Gebruiken CO2 als C-bron (cfr. planten)  Heterotrofen  Gebruiken organische moleculen (proteïnen, KHD, aminozuren en vetten) als C-bron (cfr. dieren) Nutriënten: Chemische en energie behoeften Op basis van de energiebron kan men organismen indelen in:  Chemotrofen  Gebruiken energie afkomstig van redoxreacties/oxidatiereacties waarbij anorganische of organische verbindingen gebruikt worden  Fototrofen  Gebruiken licht als energiebron Nutriënten: Chemische en energie behoeften Op basis van de elektronenbron kan men organismen indelen in:  Organotrofen  Gebruiken elektronen van organische moleculen (dezelfde moleculen die als C-bron worden gebruikt)  Lithotrofen  Gebruiken elektronen van anorganische moleculen (zoals H2, NO2-, H2S, en Fe2+) Zuurstofbehoefte Onderverdeling op basis van noodzakelijkheid van aan- of afwezigheid van zuurstof  Strikt of obligaat aëroben  Strikt of obligaat anaëroben  Facultatief anaëroben  Aërotoleranten  Microaërofielen Zuurstofbehoefte  Strikt of obligaat aëroben  Hebben absoluut zuurstof nodig  Strikt of obligaat anaëroben  Niet in staat om zuurstof te gebruiken, zuurstof is zelfs toxisch voor deze micro-organismen  Facultatief anaëroben  Kunnen groeien in afwezigheid van zuurstof, maar groeien meestal beter in aanwezigheid ervan  Groeien via fermentatie of anaërobe ademhaling als er geen zuurstof voorhanden is Zuurstofbehoefte  Aërotoleranten  Tolereren zuurstof maar kunnen het niet gebruiken  Groeien even goed in aan- als afwezigheid van zuurstof  Microaërofielen  Hebben zuurstof nodig maar aan een lagere concentratie (2 tot 10%) dan in lucht aanwezig (20%) Zuurstofbehoefte Hoe komt het dat zuurstof essentieel is voor de ene groep en fataal is voor de andere? Tijdens de cellulaire ademhaling ontstaan er toxische, hoogreactieve vormen van zuurstof Singletzuurstof (1 O2) Superoxide radicaal (O2-) Peroxide anion (O22-) Hydroxylradicaal (OH.) Zuurstofbehoefte Singletzuurstof (1 O2) Aangeslagen toestand van dizuurstof. Zeer reactief oxiderend agens Bij de fotosynthese ontstaat aanvankelijk singletzuurstof Fototrofe micro-organismen bezitten bepaalde pigmenten (cartenoïden) die singletzuurstof onschadelijk maken Wordt oa gebruikt door fagocyten om pathogenen onschadelijk te maken Zuurstofbehoefte Superoxide radicaal (O2-) Ontstaat bij onvolledige reductie van O2 tijdens de cellulaire ademhaling en tijdens bepaalde metabole processen Zeer reactief  aërobe organismen produceren het enzym superoxide dismutase om het te neutraliseren: 2 O2- + 2 H+  H2O2 + O2 Anaërobe organismen bezitten het enzym vaak niet waardoor het superoxide radicaal schade aanricht in de cel  resulteert in de dood van deze organismen Zuurstofbehoefte Peroxide anion (O22-) Het waterstofperoxide dat gevormd wordt in reacties gekatalyseerd door het superoxide dismutase (en bij andere metabole reacties) bevat het peroxide anion, eveneens een zeer reactief oxidans. Aërobe micro-organismen bevatten de enzymen katalase of peroxidase om het te detoxificeren. Katalase: 2 H 2O2  2 H 2O + O 2 Peroxidase: H2O2 + NADH + H+  2 H2O + NAD+ Obligaat anaeroben bezitten geen of weinig katalase of peroxidase Zuurstofbehoefte Hydroxylradicaal (OH.) Deze radicalen ontstaan door ioniserende straling of door onvolledige reductie van waterstofperoxide: H2O2 + e- + H+  H2O + OH. Aangezien H2O2 niet accumuleert in aërobe cellen (dankzij de werking van katalase of peroxidase) worden er hierin geen hydroxylradicalen gevormd Meest reactieve van de 4 toxische vormen Stikstofbehoefte Voor de aanmaak van aminozuren, eiwitten en nucleïnezuren 14% van het drogestof gewicht Vaak groei-limiterend nutriënt Zowel anorganische als organische nutriënten kunnen gebruikt worden als N-bron Praktisch alle bacteriën kunnen NH4+ gebruiken als N-bron Vele bacteriën kunnen nitraat (NO3-) gebruiken Meeste bacteriën breken proteïnen af Alle cellen kunnen N uit aminozuren en nucleïnezuren recycleren Slechts enkele kunnen N2 gebruiken (stikstoffixatie) Stikstofbehoefte Slechts enkele micro-organismen zijn instaat om N 2 te reduceren en als N-bron te gebruiken Azobacter Vrij levende, strikt aërobe, Gram negatieve bodembacterie Rhizobium wortelknolletjesbacterie, strikt aëroob, bindt stikstof in symbiose met de vlinderbloemigen  Deze micro-organismen bezitten het enzym nitrogenase dat N2 reduceert tot NH4+  Nitrogenase gebruikt grote hoeveelheden ATP als energiebron, wat het een kostelijk metabool proces maakt Andere chemische behoeften Fosfor In DNA, RNA, ATP, membranen HPO4- en H2HPO4- zijn bron voor fosfor Zwavel In aminozuren, thiamine en biotine De meeste bacteriën breken eiwitten af om dit element te bekomen Ca2+ ionen Stabilisatie van de celwand Hittebestendigheid van endosporen Na+, K+ en Cl- ionen Opbouw membraanpotentiaal Fe en Mg-ionen Rol in celademhaling Onderdeel enzymen Andere chemische behoeften Sporenelementen (Cu2+, Mn2+, Co2+, Cr2+) Zeer kleine hoeveelheden nodig Rol bij enzymen Groeifactoren Essentiële organische verbindingen die micro-organismen nodig hebben en via de voeding moeten opnemen omdat ze deze zelf niet kunnen aanmaken Enkele vbn: vitaminen, bepaalde aminozuren, purines, pyrimidines, heam,… Andere chemische behoeften Fysische behoeften Temperatuur pH Fysische effecten van water Temperatuur Beïnvloedt de 3D structuur van eiwitten Lipide bevattende membranen van cellen en organellen zijn temperatuurgevoelig Bij een te lage temperatuur wordt het membraan rigide en fragiel Bij een te hoge temperatuur wordt het membraan te vloeibaar Alle micro-organismen hebben een ideale groeitemperatuur en een gebied waarbinnen zij kunnen groeien, range: Minimum groeitemperatuur Optimale groeitemperatuur Maximale groeitemperatuur Temperatuur Indeling volgens optimale groeitemperatuur Psychrofielen (groeien best bij temperaturen onder 15°C) Psychrotoleranten (tolereren koude temperaturen) Mesofielen (optimale groeitemperatuur tussen 20 en 40 °C) Thermofielen (groeien bij temperaturen boven 45°C) Hypertermofielen (groeien best bij temperaturen boven 80°C) Temperaturen voor voedselbewaring pH De meeste bacteriën en protozoa groeien best bij een pH tussen 6,5 en 7,5 Schimmels en gisten groeien beter bij een pH tussen 5 en 6 Ook algen houden van lichte zure middens Er zijn echter veel uitzonderingen Een onderverdeling kan gemaakt worden: Acidofielen pH 0 - 5,5 Neutrofielen pH 5,5 - 8,0 Alkalofielen pH 8,5 - 11,5 -pH2 : citroensap -pH3 : ananas -pH4 : tomaten, appelsiensap, zeer zure grond -pH5 : kaas en brood -pH6 : runds- en kippevlees, regenwater melk en speeksel -pH7 : zuiver water -pH7.4 : bloed -pH8 : zeewater -pH9 : sterk alkalische grond, alkalische meren -pH10 : zeep -pH11 : huishoudelijk ammoniak -pH12: verzadigd Ca(OH)2 -pH13 : bleekwater pH Vele microorganismen produceren zure afvalproducten die in hun omgeving accumuleren en verdere groei inhiberen Vb. Kaas Sommige voedingsmiddelen zoals zuurkool en augurken bederven moeilijk omdat de meeste micro-organismen de lage pH niet kunnen tolereren. Fysische effecten van water Zonder water geen leven Water is een belangrijk oplosmiddel voor enzymen en nutriënten Water is een belangrijk reagens is metabole reacties De meeste cellen sterven in afwezigheid van water Sommige bezitten celwanden die water vasthouden Endosporen en cysten stoppen metabole activiteit 2 belangrijke fysische effecten: Osmotische druk Hydrostatische druk Osmotische druk Osmose = beweging van water doorheen een selectief permeabel membraan van een gebied met een hoge waterconcentratie (lage concentratie aan opgeloste stof) naar een gebied met een lage waterconcentratie (hoge concentratie aan opgeloste stof) Is het drukverschil dat tussen 2 oplossingen van verschillende concentraties ontstaat ten gevolge Osmotische druk Een hypertone omgeving, of verhoogde zout- of suikerconcentratie, veroorzaakt crenatie Osmotische druk is verantwoordelijk voor antimicrobiële activiteit van zout op gezouten vis (pekelen), van suiker in confituur en honing Het zout en de suiker drijven het water uit de microbiële cellen waardoor de groei en reproductie verhinderd wordt. Obligaat halofielen vereisen een hoge osmotische druk Facultatief halofielen tolereren een hoge osmotische druk Hydrostatische druk Druk uitgeoefend door een vloeistof (hier water) op een voorwerp (hier micro-organisme) op een bepaalde diepte Voor elke 10 meter diepte neemt de druk met 1 atm toe De druk op 100 meter diepte is 10 atm, 10X de druk aan de wateroppervlakte Barofielen zijn micro-organismen die leven onder extreme druk Hun membranen en enzymen zijn afhankelijk van de druk (om hun 3D vorm aan te nemen)