Περιβαλλοντική μικροβιολογία [CLONE]

Περιβαλλοντική μικροβιολογία

 
Πρόλογος του καθηγητή κ. Κ. Μπούρτζη
Αγρίνιο, 5 Φεβρουαρίου 2012

Ο μεγάλος μας ποιητής Οδυσσέας Ελύτης, βραβευμένος με Νόμπελ Λογοτεχνίας, έγραψε το 1959 το περίφημο ποίημα «Το Άξιον Εστί», τη δική του εκδοχή της «Γένεσης». Στο ποίημα αυτό περιέχεται ο μνημειώδης στίχος «Αυτός ο Κόσμος ο Μικρός, ο Μέγας!», με τον οποίο ο ποιητής μας ήθελε να καταδείξει τη μεγαλειότητα του (όποιου) Κόσμου. Δεν είμαι βέβαιος αν ο Ελύτης γνώριζε:
(α) τον Luis Pasteur ο οποίος τον 19ο αιώνα, ανακαλύπτοντας μέσα από συστηματική έρευνα το σπουδαίο ρόλο που παίζουν οι μικροοργανισμοί στη φύση, διατύπωσε τη φράση: «The role of the infinitely small is infinitely large» (Ο ρόλος του απείρως μικρού είναι ασύλληπτα μεγάλος).
(β) τον Ivan E. Wallin ο οποίος το 1927, ανακαλύπτοντας το ρόλο που έχουν διαδραματίσει και συνεχίζουν να διαδραματίζουν οι μικροοργανισμοί στη δημιουργία της ζωής και στην εξέλιξη της, στο βιβλίο του «Symbionticism and the Origin of Species» διατύπωσε τον ισχυρισμό ότι οι συμβιωτικοί μικροοργανισμοί «determine
morphologic and physiologic changes in organs and cells», και συνεπώς «symbionticism is a fundamental causative factor in the origin of species». Με άλλα λόγια, ο Wallin υποστήριξε ότι οι συμβιωτικοί μικροοργανισμοί προκαλούν τέτοιες μορφολογικές και λειτουργικές αλλαγές στο επίπεδο των οργάνων και των
κυττάρων ώστε θα πρέπει να αποδεχθούμε ότι οι συμβιωτικές σχέσεις αποτελούν το θεμελιώδη παράγοντα της προέλευσης των ειδών. Ο Wallin με την απαράμιλλης ποιότητα, για την εποχή εκείνη, ερευνητική δουλειά του εισήγαγε ουσιαστικά τον όρο
«Symbiogenesis».
(γ) την αείμνηστη Lynn Margulis (απεβίωσε στις 22 Νοεμβρίου 2011) που, συνεχίζοντας το έργο του Ian E. Wallin, διατύπωσε το 1981 τη «Serial Endosymbiosis Theory» (Θεωρία των Διαδοχικών Ενδοσυμβιώσεων) στο βιβλίο της «Symbiosis in Cell Evolution». Η Θεωρία αυτή εξηγεί το ρόλο των (συμβιωτικών) μικροοργανισμών στη δημιουργία των ζώων (και του ανθρώπου) και των φυτών που
απαντούν στον Πλανήτη μας. Ταυτόχρονα, η δουλειά της Margulis ανέδειξε ότι ο ενεργειακός έλεγχος των κυττάρων μας, και της ίδιας της ζωής τελικά, οφείλεται αποκλειστικά στους μικροοργανισμούς και σε δύο υποκυτταρικά οργανίδια μικροβιακής προέλευσης, τα μιτοχόνδρια και τους χλωροπλάστες. Μαγεμένη η Margulis από το μεγαλείο των μικροοργανισμών επέκτεινε τη θεωρία της στο επίπεδο
του παγκόσμιου οικοσυστήματος γράφοντας το βιβλίο «Symbiotic Planet».
(δ) τη «Gaia Hypothesis» (ή Gaia Theory ή Gaia Principle), η οποία διατυπώθηκε με σειρά άρθρων και βιβλίων τη δεκαετία του ‘70 από τον James Lovelock και η οποία υποστηρίχθηκε σθεναρά από τη Lynn Margulis. Η «υπόθεση της Γαίας» υποστηρίζει ότι ο Πλανήτης μας είναι ένα ενιαίο ζωντανό αυτό-ρυθμιζόμενο φυσικοχημικά σύστημα. Αν αυτή η θεωρία είναι σωστή, τότε αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο στους μικροοργανισμούς οι οποίοι είναι η κύρια συνιστώσα τους πλανήτη μας και, παράλληλα, αποτελούν τους κυρίαρχους των φυσικοχημικών αντιδράσεων. Το Πλανητικό μας Οικοσύστημα οφείλει τόσο τη δημιουργία του όσο και την ύπαρξή του στους μικροοργανισμούς. Η αρμονία και η ισορροπία που παρατηρείται στη φύση, το κλίμα, η ενέργεια, τα θρεπτικά (χημικά) συστατικά, η καθαριότητα, όλα που παρατηρούμε και αντιλαμβανόμαστε με τις πέντε αισθήσεις μας οφείλονται, κατά κύριο λόγο, σε αυτούς τους μικροσκοπικούς στυλοβάτες της Γης μας. για αυτό που όμως είμαι βέβαιος, παραθέτοντας αυτούσια την φράση του αείμνηστου Καθηγητή Παλαιοντολογίας του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ (1994), Stephen Jay Gould, είναι ότι «… the most salient feature of life has been the stability of its bacterial mode from
the beginning of the fossil record until today and, with little doubt this is truly the “age of bacteria” as it was in the beginning, is now and ever shall be, until the world ends…». Η πρόταση αυτή του Gould, «…η ζωή ήταν, είναι και θα συνεχίσει μέχρι το τέλος να είναι μικροβιακής προέλευσης…», αναμφίβολα δείχνει το πόσο
σπουδαίος είναι ρόλος των μικροοργανισμών: η ίδια η ζωή είναι συνυφασμένη με την ύπαρξη των μικροοργανισμών.
Ταυτόχρονα, ο ΜικροΒιόΚοσμος χαρακτηρίζεται από τεράστια ποικιλότητα και προσφέρει έναν πλούτο πρόσφορο για την αξιοποίησή του στη γεωργία και τα τρόφιμα, στην ενέργεια και τη βιοτεχνολογία, στο περιβάλλον και την υγεία, αποτελεί το μέλλον για μια άλλη οικονομία, τη Βιο-Οικονομία.
Το βιβλίο «Περιβαλλοντική Μικροβιολογία» που κρατάτε στα χέρια σας αποτελεί το εισαγωγικό σας σκαλί για να εντρυφήσετε στο μαγικό κόσμο των μικροοργανισμών, «Αυτόν τον Κόσμο τον Μικρό, το Μέγα!».

Κώστας Μπούρτζης
Καθ. Μοριακής Βιολογίας,
Γενετικής και Βιοχημείας

Περιεχόμενα

Ευχαριστίες
Πρόλογος του καθηγητή κ. Κ. Μπούρτζη
1. Εισαγωγή στη μικροβιολογία
1.1. Yersinia pestis, το αίτιο της πανώλης (“ο μαύρος θάνατος”)
1.2. Rickettsia prowazekii, το αίτιο του τύφου και η ήττα του Ναπολέοντα
1.3. Phytophthora infestans, και ο Ιρλανδός Πρόεδρος των Η.Π.Α.
1.4. Clostridium acetobutylicum, και η ίδρυση του κράτους του Ισραήλ
1.5. Σύντομη ιστορία της μικροβιολογίας
1.5.1. Η διαμάχη για την αυτόματη γένεση
1.5.2. Η γέννηση της χημειοθεραπείας
1.6. Τα πρώτα βήματα της ζωής
1.7. Οι μικροοργανισμοί ως γεωχημικοί παράγοντες
2. Μικροσκοπική παρατήρηση
2.1. Οπτικό μικροσκόπιο
2.2. Μικροσκοπία σκοτεινού πεδίου
2.3. Μικροσκοπία αντίθεσης φάσεων
2.4. Μικροσκοπία φθορισμού
2.5. Ηλεκτρονική μικροσκοπία
2.5.1. Ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης
2.5.2. Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης
2.6. Χρώσεις μικροοργανισμών
3. Η ποικιλομορφία των μικροοργανισμών
3.1. Βακτήρια
3.2. Αρχαία
3.3. Ευκαρυωτικοί μικροοργανισμοί
3.4. Ταξινόμηση μικροοργανισμών
3.4.1. Ταξινομική ιεραρχία βακτηρίων
3.4.2. Ονοματοθέτηση μικροοργανισμών
3.4.3. Φυλογένεση: γονίδια rRNA
3.4.4. Κριτήρια ταξινόμησης και ταυτοποίησης μικροοργανισμών
3.4.4.1. Περιεκτικότητα του DNA σε βάσεις
3.4.4.2. Υβριδισμός DNA:DNA
3.4.4.3. Μελέτη πρωτεϊνών
3.5. Ανατομία προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών κυττάρων
3.5.1. Προκαρυωτικοί μικροοργανισμοί
3.5.1.1. Γλυκοκάλυκας (κάψουλα)
3.5.1.2. Μαστίγια
3.5.1.3. Ινίδια και Σωληνίσκοι
3.5.1.4. Κυτταρικό τοίχωμα
3.5.1.4.1. Κυτταρικό τοίχωμα Gram (+) βακτηρίων
3.5.1.4.2. Κυτταρικό τοίχωμα Gram (-) βακτηρίων
3.5.1.4.3. Μη τυπικά κυτταρικά τοιχώματα
3.5.1.4.4. Βλάβες του κυτταρικού τοιχώματος
3.5.1.5. Κυτταροπλασματική μεμβράνη
3.5.1.5.1. Δομή λιπιδίων Βακτηρίων και Αρχαίων
3.5.1.6. Κυτταρόπλασμα
3.5.1.7. Πυρηνοειδές
3.5.1.8. Ριβοσώματα
3.5.1.9. Έγκλειστα
3.5.1.10. Ενδοσπόρια
3.5.1.11. Σύγκριση Gram (+) και Gram (-) βακτηρίων
3.5.2. Ευκαρυωτικά κύτταρα
3.5.2.1. Μαστίγια και βλεφαρίδες
3.5.2.2. Κυτταρικό τοίχωμα και γλυκοκάλυκας
3.5.2.3. Κυτταροπλασματική μεμβράνη
3.5.2.4. Κυτταρόπλασμα
3.5.2.5. Οργανίδια ευκαρυωτκών κυττάρων
3.5.2.5.1. Πυρήνας
3.5.2.5.2. Ενδοπλασματικό δίκτυο και ριβοσώματα
3.5.2.5.3. Σύστημα Golgi
3.5.2.5.4. Μιτοχόνδρια
3.5.2.5.5. Χλωροπλάστες
3.5.2.5.6. Λυσοσώματα
3.5.2.5.7. Κενοτόπια
3.5.2.6. Σύγκριση προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών οργανισμών
4. Μεταβολισμός ετερότροφων οργανισμών
4.1. Γλυκόλυση
4.1.1. Έλεγχος της γλυκόλυσης
4.2. Μεταβολισμός του πυροσταφυλικού
4.3. Οξειδωτικές διεργασίες: κύκλος του Krebs και κύκλος φωσφορικών
πεντοζών
4.4. Ο κύκλος του Krebs
4.4.1. Έλεγχος του κύκλου του Krebs και της οξειδωτικής αποκαρβοξυλίωσης
του πυροσταφυλικού
4.4.2. Αναπληρωματικές αντιδράσεις του κύκλου του Krebs
4.5. Κύκλος του γλυοξυλικού οξέος
4.6. Εξελικτική επιλογή του κύκλου του κιτρικού οξέος
4.7. Οξείδωση της γλυκόζης μέσω της πορείας των φωσφορικών πεντοζών
4.8. Καταβολισμός λιπιδίων και λιπαρών οξέων: β-οξείδωση
4.9. Το μονοπάτι του μεθυλο-μηλονυλο-CoA
4.10. Οξειδωτική φωσφορυλίωση
4.10.1. Δυναμικό οξειδοαναγωγής και μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας
4.10.2. Η αναπνευστική αλυσίδα
4.10.3. Χημειωσμωτικός μηχανισμός
4.10.4. Μιτοχονδριακή αναγέννηση κυτταροπλασματικούν ΝΑDH
4.10.5. Ενεργειακή απόδοση του οξειδωτικού μεταβολισμού
4.10.6. Η αποσύζευξη της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης
5. Θρέψη και φυσιολογία μικροοργανισμών
5.1. Τροφική κατάταξη και ενεργειακές τάξεις μικροοργανισμών
5.1.1. Φωτοαυτότροφοι
5.1.2. Φωτοετερότροφοι
5.1.3. Χημειοαυτότροφοι
5.1.4. Χημειοετερότροφοι
5.2. Χημική σύσταση των κυττάρων
5.3. Μακροθρεπτικά και μικροθρεπτικά συστατικά
5.4. Αυξητικοί παράγοντες
5.5. Επαγώγιμα ένζυμα και καταβολική αναστολή
5.6. Επίδραση του περιβάλλοντος
5.6.1. Οξυγόνο
5.6.2. Θερμοκρασία
5.6.3. Συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου - pH
5.6.4. Ωσμωτική και υδροστατική πίεση
6. Ανάπτυξη μικροοργανισμών
6.1. Ανάλυση της βακτηριακής αύξησης σε κλειστή (διαλείπουσα) καλλιέργεια
(batch culture)
6.1.1. Προσδιορισμός του χρόνου διπλασιασμού
6.1.2. Αναπτυξιακός κύκλος μικροβιακών καλλιεργειών
6.1.2.1. Λανθάνουσα φάση
6.1.2.2. Λογαριθμική φάση
6.1.2.3. Φάση στασιμότητας
6.1.2.4. Φάση θανάτου
6.2. Μαθηματικά μοντέλα της κυτταρικής ανάπτυξης και της κινητικής κα-
τανάλωσης υποστρώματος
6.3. Ανάπτυξη μικροοργανισμών σε συστήματα συνεχούς καλλιέργειας
6.3.1. Βιολογική και οικολογική σημασία της σταθεράς ημικορεσμού Κm
7. Μέτρηση της μικροβιακής ανάπτυξης
7.1. Άμεσες μέθοδοι εκτίμησης μικροβιακού πληθυσμού
7.1.1. Άμεση μικροσκοπική μέτρηση
7.1.2. Μέτρηση ζώντων κυττάρων
7.1.3. Μέθοδος διαδοχικών αραιώσεων
7.1.4. Διήθηση με μεμβράνη
7.2. Έμμεσος προσδιορισμός του μικροβιακού πληθυσμού
7.2.1. Μέτρηση θολερότητας
7.2.2. Προσδιορισμός κυτταρικής μάζας
8. Μικροβιακές αλληλεπιδράσεις
8.1. Μικροβιακός ανταγωνισμός σε χημειοστατικά συστήματα
9. Μικροοργανισμοί σε συστήματα ενεργού ιλύος
9.1. Σύσταση ενεργού ιλύος
9.1.2. Βιολογική σύσταση ενεργού ιλύος

9.1.2.1. Ο ρόλος των πρωτόζωων ως βιοδείκτες σε συστήματα ενεργού ιλύος
9.1.2.2. Νηματοειδείς μικροοργανισμοί
9.1.2.2.1. Συνθήκες που ευνοούν την επικράτηση νηματοειδών βακτηρίων
9.1.2.2.2. Δείκτης νηματοειδών μικροοργανισμών
9.1.2.2.3. Βιολογικής αιτιολογίας αφρισμός σε συστήματα ενεργού
ιλύος
10. Υποχρεωτικά αερόβιοι χημειοαυτότροφοι μικροοργανισμοί
10.1. Βακτήρια νιτροποίησης
10.2. Θειοοξειδωτικά βακτήρια
10.2.1. Βιοεκχύλιση ορυκτών
10.2.1.1. Άμεση εκχύλιση
10.2.1.2. Έμμεση εκχύλιση
11. Αναερόβια οξείδωση της αμμωνίας: Anammox
12. Εκτεταμένη Βιολογική Αφαίρεση Φωσφόρου
13. Αναερόβια αναπνοή με νιτρικά και θειικά ιόντα ως τελικούς ηλεκτρονιακούς
δέκτες
13.1. Αναγωγή νιτρικών και απονιτροποίηση
13.1.1. Τεχνικά συστήματα απονιτροποίησης
13.2. Αναγωγή θειικών ιόντων και αποθειικοποίηση
14. Μεθανιογόνοι μικροοργανισμοί και μεθανιογένεση
14.1. Μεθανιογένεση από οργανικά πολυμερή (Βιομάζα)
14.2. Βιοχημεία μεθανιογόνων μικροοργανισμών
14.3. Όρια του αναερόβιου καταβολισμού
14.4. Βιογεωχημικοί παράγοντες και σχηματισμός μεθανίου
15. Βιοαποδόμηση ξενοβιοτικών και δυσκόλως αποδομήσιμων, φυσικά παρα-
γόμενων, οργανικών ενώσεων
15.1. Βιοαποδόμηση φυτοφαρμάκων και οργανοχλωριωμένων διαλυτών ....
15.1.1. Αναερόβια αποδόμηση οργανοχλωριώμενων ενώσεων - Αναγω-
γική αποχλωρίωση
15.1.2. Αερόβια αποχλωρίωση
15.2. Βιοαποδόμηση υδρογονανθράκων και διαφόρων αρωματικών ενώσεων
15.2.1. Αναερόβια αποδόμηση
15.2.2. Αερόβια αποδόμηση
15.3. Λιγνινολυτική δράση - Μύκητες λευκής σήψεως
16. Μοριακές τεχνικές περιβαλλοντικής μικροβιολογίας
16.1. H αλυσιδωτή αντίδραση της πολυμεράσης
16.2. Ένζυμα περιορισμού
16.3. Γενετικός πολυμορφισμός
16.3.1. Πολυμορφισμός μεγέθους περιοριστικών τμημάτων (RFLP)
16.3.2. Τυχαία ενισχυμένο πολυμορφικό DNA (RAPD)
16.3.3. Πολυμορφισμός μήκους ενισχυμένων τμημάτων (AFLP)
16.3.4. Περιοριστική ανάλυση ενισχυμένων τμημάτων ριβοσωμικού DNA
(ARDRA)
16.3.5. Πολυμορφισμός μήκους περιοριστικών τμημάτων DNA τερματικού
άκρου (T-RFLP)
16.4. Ανάλυση του μικροβιακού πληθυσμού με ηλεκτροφόρηση σε πήκτωμα
πολυακρυλαμιδίου υπό κλίση αποδιατακτικού παράγοντα ή θερμοκρασίας
(ανάλυση DGGE ή TGGE)
16.5. Κατασκευή γονιδιακών και μεταγονιδιωματικών βιβλιοθηκών- μεταγονιδιωματική ανάλυση
16.6. Ανάλυση του μικροβιακού πληθυσμού με μικροσυστοιχίες DNA (DNA
microarray)
16.7. Φθορίζον in situ υβριδισμός (FISH)
16.8. Εύρεση της αλληλουχίας βάσεων DNA
16.8.1. Μέθοδος Sanger
16.8.2. Μέθοδος “Pyrosequencing”
Βιβλιογραφία
Ευρετήριο