Rozmnožovanie baktérií a faktory ovplyvňujúce ich rast

Úvod do sveta baktérií

Už pred viac ako 300 rokmi človek uzrel svet mikrobiológie a odvtedy je čoraz uchvátenejší jeho zaujímavým prevedením a komplexicitou. Bol to práve Anton van Leeuwenhoek, holandský vedec a obchodník, ktorý prispel svojimi domácky vyrobenými mikroskopmi k založeniu mikrobiológie. Baktérie, ktoré pozoroval v kvapke vody, nazval „malé zvieratká“.

Baktérie (lat. Bacteria) sú v súčasnom ponímaní doména z taxónu bunkovce. Spolu s archeónmi tvoria neformálnu skupinu prokaryoty. Sú skupina jednobunkových organizmov a zároveň najrozšírenejšou skupinou organizmov na svete. Dokážu prežiť vo vesmíre, v 100 °C teplých plameňoch i v činných kráteroch na dne Mariánskej priekopy. Baktérie obývajú rôzne biotopy, vyskytujú sa vo vzduchu, vo vode (sladkej i slanej) aj v pôde, na povrchu i vo vnútri iných organizmov.

Väčšina baktérií je neškodná a má veľký význam v planetárnom obehu živín, pričom často vstupujú do obojstranne prospešných vzťahov s inými organizmami. Človek niektoré z nich využíva pri výrobe potravín, napríklad jogurtov alebo kyslomliečnych výrobkov. Na druhej strane existujú aj baktérie, ktoré spôsobujú rôzne infekcie a choroby ľudí, hospodárskych zvierat a rastlín.

Základná stavba bakteriálnej bunky

Bakteriálna bunka je prokaryotická, čo znamená, že má jednoduchšie vnútorné usporiadanie v porovnaní s eukaryotickou bunkou. Jej vnútorné usporiadanie bolo podrobne objasnené až vďaka elektrónovému mikroskopu. Bakteriálna bunka je tvorená jediným, membránami ďalej nedeleným priestorom.

Kľúčové štruktúry

Okrem rozpustnej cytoplazmy má bakteriálna bunka len štyri úplne potrebné a vždy prítomné štruktúry:

• Jadro (nukleoid): Na rozdiel od jadra eukaryotov nie je od cytoplazmy oddelené dvojitou membránou a nemá stály tvar. Je to jediná molekula DNA, ktorá obsahuje celú genetickú informáciu bunky. V pokojovej bunke je prítomný len jeden chromozóm, avšak v rastúcej bunke prebieha replikácia chromozómu súbežne s rastom a delením, preto sa v jednej bunke môže nachádzať 1 až asi 4 jadrové ekvivalenty. Okrem DNA v jadre obsahujú mnohé baktérie aj voľne v cytoplazme malé, do kruhu uzavreté molekuly DNA, nazývané plazmidy. Tie obsahujú doplnkovú genetickú informáciu, ktorá môže byť rozhodujúca pre prežitie a pomnoženie baktérie v určitých podmienkach.
• Ribozómy: Sú to telieska vyskytujúce sa v bakteriálnej bunke v rôznom počte, od stoviek až po desiatky tisíc v rýchlo rastúcich bunkách. Sú tvorené ribozomálnou RNA (rRNA) a bielkovinami. V prokaryotoch sa označujú ako 70S ribozómy a sú nevyhnutné pre syntézu bielkovín.
• Cytoplazmatická membrána: Je to biologická membrána obklopujúca povrch bakteriálnej cytoplazmy. Jej hlavnou funkciou je oddelenie vonkajšieho prostredia od vnútorného, pričom reguluje výmenu látok. Vo väčšine prípadov je hladká a napätá, ale u niektorých baktérií môže tvoriť rôzne invaginácie, ktoré sú dôležité pre intenzívne membránové procesy, napr. u fotosyntetických či chemotrofných baktérií. Základom membrány je dvojvrstva fosfolipidov a bielkovín.
• Bunková stena: Nachádza sa nad cytoplazmatickou membránou (pri niektorých môže chýbať). Je to pevný útvar, ktorý hrá úlohu bunkového skeletu, udeľuje bunke tvar a mechanicky ju ochraňuje pred vonkajším prostredím. Zároveň poskytuje chemickú odolnosť, odolnosť proti vyschnutiu a nepriaznivým osmotickým podmienkam. Hlavnou časťou steny baktérií je mureín.

Cytoplazma tvorí 75 - 95 % bunkovej hmoty a je koncentrovaným vodným roztokom mnohých biomolekúl, vrátane enzýmov, ktoré katalyzujú rôzne metabolické reakcie. Baktérie môžu ukladať rezervné zdroje energie, najmä glykogén a poly-beta-hydroxymaslovú kyselinu, ktoré sa hromadia, keď bunky rastú v nadbytku zdroja uhlíka.

Veľkosť a tvar

Bakteriálna bunka je menšia než rastlinná alebo živočíšna bunka. Priemerná veľkosť bunky baktérií sa pohybuje okolo 0,3 - 2,0 µm. Len niektoré vodné baktérie dosahujú veľkosť niekoľko desiatok i stoviek mikrometrov. Tvar bakteriálnej bunky je väčšinou jednoduchý: gulička, tyčinka alebo zakrivená tyčinka (závitnica). Tvar baktérií je premenlivý v závislosti od mnohých faktorov, napríklad rastovej fázy, veku kultúry, zloženia kultivačného média alebo účinku antibiotík. Bičíky a útvary na povrchu (fimbrie/pili) slúžia baktériám na pohyb alebo prilepenie k podkladu.

Mechanizmy rozmnožovania baktérií

Baktérie sa nerozmnožujú pohlavne. Ich rozmnožovanie je predovšetkým nepohlavné.

Binárne delenie (priečne delenie)

Najčastejšie sa baktérie delia binárne (priečnym delením). Pri tomto procese sa bunka predĺži na dvojnásobnú veľkosť, pričom sa uprostred vytvorí septum (priehradka zložená z membrány a základu bunkovej steny), ktoré bunku rozdelí na dve rovnaké časti. Z každej potom vznikne jedna sesterská bunka. Počet baktérií sa môže v priebehu hodiny 2-3 násobne zvýšiť. Aplikované mikroorganizmy sú schopné exponenciálneho rastu, čo znamená, že ich počet sa zdvojnásobuje približne každých dvadsať až tridsať minút za optimálnych podmienok.

Pučanie

Menej častým spôsobom rozmnožovania je pučanie. Prebieha tak, že zrelá bunka začne na svojom povrchu vytvárať novú bunku. Keď dcérska bunka dorastie do dostatočnej veľkosti, je do nej vpustená DNA a bunka je odpojená od materskej bunky.

Faktory ovplyvňujúce rast a množenie

Pre optimálny rast a množenie baktérií je nevyhnutné vhodné zloženie prostredia a dostupnosť kľúčových faktorov.

Dostupnosť živín

Pre rast baktérií je nevyhnutné vhodné zloženie prostredia a dostupnosť živín, napríklad glukózy, aminokyselín, niektorých vitamínov a minerálnych látok. Baktériám sa darí na potravinách s vysokým obsahom bielkovín - mäse, hydine, vajíčkach, rybách a morských plodoch. Baktérie produkujú enzýmy, ktoré sú nepostrádateľné pre metabolizáciu zdroja živín (napr. organického odpadu) na energiu nevyhnutnú pre ich rast. Enzýmy sú nástrojom tej fázy metabolizmu, pri ktorej sú komplexné zlúčeniny štiepené na jednoduchšie a pre baktérie ľahko stráviteľné dávky.

Teplota

Väčšina baktérií obľubuje teplotu v rozmedzí od 1 do 55 °C, pričom najrýchlejšie sa množia pri teplotách od 27 °C do 41 °C. Množenie väčšiny baktérií je spôsobené aj vplyvom vyššej izbovej teploty. To sa dá spomaliť alebo zastaviť vytvorením optimálnej klímy v miestnosti. Naopak, príliš chladné alebo príliš horúce počasie môže spomaliť činnosť baktérií, znížiť ich konzumáciu odpadu, spomaliť množenie alebo ich úplne vyhubiť.

Kyslosť (pH)

Schopnosť baktérií rásť je ovplyvňovaná aj kyslosťou potraviny - hodnotou pH. Väčšina baktérií je schopná existovať pri vyššom pH potraviny. Hraničná hodnota pH je približne 4,0 (niektoré zdroje uvádzajú 4,0 - 4,5). To znamená, že v prípade potraviny s hodnotou pH pod 4,0, čiže v kyslom prostredí, nemôžu prípadné baktérie klíčiť a produkovať toxín.

Obsah vody a kyslík

Väčšina baktérií obľubuje prostredie s dostatočne vysokým obsahom vody. Okrem toho sa baktérie delia aj podľa požiadaviek na kyslík. Aeróbne baktérie vyžadujú kyslík, zatiaľ čo anaeróbne baktérie žijú v prostredí bez kyslíka. Zaujímavosťou je, že 72 % baktérií má schopnosť rastu aj pri anaeróbnych podmienkach.

Prežitie v nepriaznivých podmienkach: Tvorba spór

Keď sa zhoršia životné podmienky, napríklad pri nedostatku potravy, majú baktérie schopnosť vytvárať spóry. Spóry sú trvalou formou baktérií, ktoré prežívajú desaťročia a môžu byť infekčné aj po dlhom čase. Vznikajú zmršťovaním a zmenšovaním pôvodných buniek. Okrem toho sa vytvára rezistentná stena spór. Počas fázy spóry je zastavená výmena bunkových látok, čo znamená, že baktéria tak nepotrebuje ani potravu, ani energiu na udržiavanie svojich životných pochodov. Keď spóra natrafí na výhodnejšie životné podmienky, zmení sa opäť na živú baktériu.

Tzv. sporulujúce baktérie vytvárajú vo svojom životnom cykle spory, čo sú odolné kľudové útvary. Niektoré baktérie (napríklad klostrídie, bacily) sú schopné vytvárať tzv. endospory, ktoré sú obzvlášť odolné spory vytvárané vo vnútri bunky.

Výmena genetického materiálu a adaptácia

Genetický materiál sa medzi baktériami môže prenášať tromi základnými procesmi: konjugáciou, transdukciou a transformáciou. Každý z týchto procesov zahŕňa jednosmerný prenos DNA z jednej bunky do druhej, čo umožňuje baktériám získavať nové genetické vlastnosti a prispôsobovať sa meniacim sa podmienkam prostredia. Hoci nejde priamo o rozmnožovanie, výmena genetického materiálu je kľúčová pre ich dlhodobú prežiteľnosť a schopnosť efektívne sa množiť v rôznych ekosystémoch, napríklad získavaním odolnosti voči antibiotikám.

• Konjugácia predstavuje prenos DNA z donorovej bunky do recipientnej prostredníctvom špeciálnych štruktúr, tzv. konjugačných pilusov (sex-pilusov), vyžadujúci priamy bunkový kontakt.
• Transdukcia je prenos DNA medzi bunkami prostredníctvom bakteriálnych vírusov - bakteriofágov. Využitím nepresností v nabaľovaní DNA do vírusových častíc možno docieliť transfer vlastných génov bakteriálnej bunky do iných buniek.
• Transformácia sa jedná o transfer holej DNA prítomnej v médiu do bakteriálnych buniek bez konkrétnych vektorov. Bunky sa prijatiu cudzej DNA snažia za normálnych okolností vyhnúť, avšak za určitých podmienok sa stávajú kompetentné, teda ochotné prijať cudzorodú DNA.

Praktické aspekty množenia baktérií

Baktérie v potravinárstve a hygiene

Na jednej strane sú baktérie využívané v potravinárskom priemysle na výrobu syrov, smotany či jogurtov. Na druhej strane existujú baktérie, ktoré spôsobujú rôzne infekcie a intoxikácie. Odborníci stanovili, že baktérie majú na svedomí 30 % ochorení z potravín. Príkladom je stafilokoková enterotoxikóza, ktorej pôvodcom je zlatý stafylokok, často sa vyskytujúci v drobných hnisajúcich ranách na rukách. Ak sa dostane do potravín, premnoží sa a vytvorí termorezistentný toxín, ktorý prežije varenie až 30 minút.

Patogény, proti ktorým už antibiotiká nepomáhajú, sa v kuchyni vyskytujú čoraz častejšie, pričom kľúčovú úlohu ako zdroj choroboplodných zárodkov zohráva najmä surové mäso a hydina. Veľký vplyv na rozmnožovanie baktérií a vírusov má aj neporiadok a nedostatočná hygiena vo všeobecnosti. Hoci zahrievanie baktérie zabíja, pred varením hrozí, že sa mikróby prenesú zo surovej stravy do iných potravín.

Prevencia šírenia a množenia baktérií zahŕňa dôkladné umývanie riadu a náradia, čistenie všetkých povrchov, ktoré prichádzajú do kontaktu s potravinami, od zvyškov potravín. Pri umývaní je dôležité používať vysoké teploty vody a v umývačke riadu voliť programy aspoň na 60 °C. Taktiež je potrebné dbať na optimálnu klímu v miestnosti, keďže vyššia izbová teplota podporuje množenie väčšiny baktérií.

Využitie a regulácia baktérií v čistení odpadových vôd

Žumpa, septik, čistička - všetky zariadenia na prečistenie alebo skladovanie odpadovej vody z domácnosti využívajú na svoj optimálny chod baktérie. Baktérie sa prirodzene nachádzajú v odpade, avšak sú riedené množstvom vody. Zakaždým, keď sa do systému dostane chémia (napríklad dezinfekcia s chlórom), baktérie hynú, čo vedie k hnilobným procesom, zakaleniu a zápachu vody.

Po vyhubení baktérií v čističke odpadových vôd (ČOV), septiku alebo žumpe je jediná možnosť, ako obnoviť ich populáciu, nadávkovať do systému špeciálne vyšľachtené baktérie, ako sú napríklad AVA baktérie. Tieto baktérie sú vyvinuté tak, aby vedeli fungovať aj pri drsnejších vonkajších teplotách a boli schopné skonzumovať naraz väčšie množstvo odpadu, rýchlejšie sa množiť a byť odolnejšie. Majú schopnosť rozkladať aj pomaly biologicky rozložiteľné látky, z ktorých sa skladá kal, pomocou extracelulárnych enzýmov, ktoré si vedia samy vytvoriť.

tags: #rozmnozovanie #bakterii #v #latke